atomi, molecole o anche cellule viventi possono essere manipolate con fasci di luce. Alla TU Wien è stato sviluppato un metodo per rivoluzionare queste "pinzette ottiche".

Ricordano il "trave del trattore" in Star Trek :Speciali fasci di luce possono essere utilizzati per manipolare molecole o piccole particelle biologiche. Anche virus o cellule possono essere catturati o spostati. Però, queste pinzette ottiche funzionano solo con oggetti nello spazio vuoto o in liquidi trasparenti. Qualsiasi ambiente inquietante devierebbe le onde luminose e distruggerebbe l'effetto. Questo è un problema, in particolare con campioni biologici perché di solito sono inseriti in un ambiente molto complesso.

Ma gli scienziati della TU Wien (Vienna) hanno ora dimostrato come la virtù possa essere resa necessaria:è stato sviluppato uno speciale metodo di calcolo per determinare la forma d'onda perfetta per manipolare piccole particelle in presenza di un ambiente disordinato. Ciò consente di tenere, spostare o ruotare singole particelle all'interno di un campione, anche se non possono essere toccate direttamente. Il fascio di luce su misura diventa un telecomando universale per tutto ciò che è piccolo. Gli esperimenti con le microonde hanno già dimostrato che il metodo funziona. La nuova tecnologia delle pinzette ottiche è stata ora presentata sulla rivista Fotonica della natura .

Pinzette ottiche in ambienti disordinati

"Usare raggi laser per manipolare la materia non è più insolito, " spiega il Prof. Stefan Rotter dell'Istituto di Fisica Teorica della TU Wien. Nel 1997, il Premio Nobel per la Fisica è stato assegnato per i raggi laser che raffreddano gli atomi rallentandoli. Nel 2018, un altro premio Nobel per la fisica ha riconosciuto lo sviluppo delle pinzette ottiche.

Ma le onde luminose sono sensibili:in un disordinato, ambiente irregolare, possono essere deviati in modo molto complicato e sparpagliati in tutte le direzioni. Un semplice, l'onda di luce piana diventa quindi un complesso, modello d'onda disordinato. Questo cambia completamente il modo in cui la luce interagisce con una particella specifica.

"Però, questo effetto di dispersione può essere compensato, "dice Michael Horodynski, primo autore del saggio. "Possiamo calcolare come l'onda deve essere inizialmente modellata in modo che le irregolarità dell'ambiente disordinato la trasformino esattamente nella forma che vogliamo che sia. In questo caso, l'onda luminosa sembra inizialmente piuttosto disordinata e caotica, ma l'ambiente disordinato lo trasforma in qualcosa di ordinato. Innumerevoli piccoli disturbi, che normalmente renderebbe impossibile l'esperimento, vengono utilizzati per generare esattamente la forma d'onda desiderata, che poi agisce su una particella specifica.

Calcolo dell'onda ottimale

Per realizzare questo, la particella e il suo ambiente disordinato vengono prima illuminati con varie onde e viene misurato il modo in cui le onde vengono riflesse. Questa misurazione viene eseguita due volte in rapida successione. "Supponiamo che nel breve lasso di tempo tra le due misurazioni, l'ambiente disordinato rimane lo stesso, mentre la particella che vogliamo manipolare cambia leggermente, " dice Stefan Rotter. "Pensiamo a una cellula che si muove, o semplicemente affonda un po' verso il basso. Quindi l'onda luminosa che inviamo viene riflessa in modo leggermente diverso nelle due misurazioni." Questa piccola differenza è cruciale:con il nuovo metodo di calcolo sviluppato presso TU Wien, è possibile calcolare l'onda che deve essere utilizzata per amplificare o attenuare questo movimento di particelle.

"Se la particella affonda lentamente verso il basso, possiamo calcolare un'onda che impedisce questo affondamento o fa affondare la particella ancora più velocemente, " dice Stefan Rotter. "Se la particella ruota un po', sappiamo quale onda trasmette il momento angolare massimo:possiamo quindi ruotare la particella con un'onda di luce dalla forma speciale senza mai toccarla."

Esperimenti di successo con le microonde

Kevin Pichler, anche parte del gruppo di ricerca presso TU Wien, è stato in grado di mettere in pratica il metodo di calcolo nel laboratorio dei partner di progetto dell'Università di Nizza (Francia):ha utilizzato oggetti in teflon disposti casualmente, che irradiava con le microonde, e in questo modo riusciva effettivamente a generare esattamente quelle forme d'onda che, a causa del disordine del sistema, prodotto l'effetto desiderato.

"L'esperimento con le microonde mostra che il nostro metodo funziona, " riferisce Stefan Rotter. "Ma il vero obiettivo è applicarlo non con le microonde ma con la luce visibile. Ciò potrebbe aprire campi di applicazione completamente nuovi per le pinzette ottiche e, soprattutto nella ricerca biologica, consentirebbe di controllare le piccole particelle in un modo che in precedenza era considerato del tutto impossibile".