È possibile guidare le nanoparticelle in orbita al di sotto del limite di diffrazione della luce utilizzando un raggio gaussiano? Un recente progetto di ricerca congiunto riportato in Comunicazioni sulla natura dice di si.

È risaputo che la luce possiede non solo energia ma anche quantità di moto. Quando la luce irradia un oggetto, la quantità di moto viene trasferita all'oggetto, generando così una leggera pressione sull'oggetto. A scala microscopica, microparticelle e nanoparticelle (come biocelle e macromolecole) possono essere manipolate dalla forza della luce. Gli atomi possono essere raffreddati con una leggera pressione per ottenere orologi atomici, condensazione di Bose-Einstein, e così via.

Oltre al momento lineare della luce che è trasferibile, il momento angolare della luce può anche essere trasferito a un oggetto, provocando così la rotazione dell'oggetto. Poiché la conversione della quantità di moto è solitamente derivata dall'interazione lineare tra luce e oggetti, la velocità di rotazione orbitale e il raggio orbitale sono stati finora limitati a non più di 100 Hz in acqua e non meno di un micrometro, rispettivamente.

Recentemente, però, un team guidato dal prof. Jiang Yuqiang dell'Istituto di genetica e biologia dello sviluppo dell'Accademia cinese delle scienze, in collaborazione con il Prof. Qiu Chengwei della National University of Singapore, Prof. Yang Yuanjie dell'Università di Scienze e Tecnologie Elettroniche della Cina, e il Prof. Xiao Liantuan dell'Università dello Shanxi, ha superato questi limiti.

Sulla base dell'effetto ottico non lineare, i ricercatori hanno raggiunto una velocità di rotazione orbitale ultraveloce per le nanoparticelle su scala di subdiffrazione.

I ricercatori hanno intrappolato nanoparticelle d'oro utilizzando un raggio laser a femtosecondi NIR polarizzato circolarmente con una modalità gaussiana. Nel regime di interazione lineare, le particelle intrappolate ruotano solo al centro del raggio. Nel regime non lineare, però, un potenziale anulare bene può essere formato per effetto della 'trap split, ' e la forza ottica tangenziale potenziata dalla polarizzazione non lineare tra il laser a femtosecondi e le nanoparticelle d'oro fa sì che le particelle orbitino a una velocità ultraveloce nel pozzo della trappola anulare.

Di conseguenza, il momento angolare di spin della luce viene convertito nel momento angolare orbitale delle particelle con altissima efficienza.

In questo lavoro, il raggio minimo di rotazione era di circa 70 nm, che è molto al di sotto del limite di diffrazione. La più alta velocità di rotazione orbitale ha superato 1000r/s, un ordine più veloce delle velocità precedentemente riportate.

Lo studio rivela un nuovo meccanismo di conversione del momento angolare di spin in momento angolare orbitale, e fornisce un nuovo metodo di manipolazione della luce.

Poiché il raggio orbitale e la velocità di rotazione orbitale possono essere controllati regolando la potenza del laser a femtosecondi, il NA della lente dell'obiettivo, e il materiale delle nanoparticelle, può essere ampiamente applicato in vari campi, come micromacchine ottiche, nanoreologia, microfabbricazione laser, e così via.