La fantascienza è piena di dispositivi fantasiosi che consentono alla luce di interagire con forza con la materia, dalle spade laser ai razzi a propulsione fotonica. Negli ultimi anni, la scienza ha iniziato a recuperare terreno; alcuni risultati suggeriscono interessanti interazioni nel mondo reale tra luce e materia su scala atomica, e i ricercatori hanno prodotto dispositivi come fasci ottici del trattore, pinzette, e raggi di vortice.

Ora, un team al MIT e altrove ha superato un altro confine nella ricerca di tali aggeggi esotici, creando nelle simulazioni il primo sistema in cui le particelle, che vanno dalle dimensioni approssimative di una molecola a quelle dei batteri, possono essere manipolate da un raggio di luce ordinaria piuttosto che dalle costose sorgenti luminose specializzate richieste da altri sistemi. I risultati sono riportati oggi sulla rivista Progressi scientifici , dai postdoc del MIT Ognjen Ilic PhD '15, Ido Kaminer, e Bo Zhen; professore di fisica Marin Soljacic; e altri due.

La maggior parte delle ricerche che tentano di manipolare la materia con la luce, sia spingendo via singoli atomi o piccole particelle, attirandoli, o farli girare, comporta l'uso di sofisticati raggi laser o altre apparecchiature specializzate che limitano fortemente i tipi di utilizzo di tali sistemi a cui possono essere applicati. "Il nostro approccio è vedere se possiamo ottenere tutti questi interessanti effetti meccanici, ma con una luce molto semplice, "dice Ilic.

Il team ha deciso di lavorare sull'ingegneria delle particelle stesse, piuttosto che i raggi di luce, per farli rispondere alla luce ordinaria in modi particolari. Come loro prova iniziale, i ricercatori hanno creato particelle asimmetriche simulate, chiamate particelle di Giano (bifronte), solo un micrometro di diametro, un centesimo della larghezza di un capello umano. Queste minuscole sfere erano composte da un nucleo di silice rivestito lateralmente da un sottile strato d'oro.

Quando esposto a un raggio di luce, la configurazione bilaterale di queste particelle provoca un'interazione che sposta i loro assi di simmetria rispetto all'orientamento del raggio, i ricercatori hanno scoperto. Allo stesso tempo, questa interazione crea forze che fanno ruotare le particelle in modo uniforme. Più particelle possono essere tutte colpite contemporaneamente dallo stesso raggio. E la velocità di rotazione può essere modificata semplicemente cambiando il colore della luce.

Lo stesso tipo di sistema, i ricercatori, dire, potrebbe essere applicato alla produzione di diversi tipi di manipolazioni, come spostare le posizioni delle particelle. In definitiva, questo nuovo principio potrebbe essere applicato al movimento di particelle all'interno di un corpo, usando la luce per controllare la loro posizione e attività, per nuove cure mediche. Potrebbe anche trovare usi in nanomacchine a base ottica.

Sul crescente numero di approcci per controllare le interazioni tra luce e oggetti materiali, Kaminer dice, "Penso a questo come a un nuovo strumento nell'arsenale, e molto significativo".

Ilic afferma che lo studio "consente dinamiche che potrebbero non essere raggiunte dall'approccio convenzionale di modellare il raggio di luce, " e potrebbe rendere possibile una vasta gamma di applicazioni difficili da prevedere a questo punto. Ad esempio, in molte potenziali applicazioni, come usi biologici, le nanoparticelle possono muoversi in modo incredibilmente complesso, ambiente mutevole che distorcerebbe e disperderebbe i raggi necessari per altri tipi di manipolazione delle particelle. Ma queste condizioni non avrebbero importanza per i semplici raggi di luce necessari per attivare le particelle asimmetriche del team.

"Poiché il nostro approccio non richiede la modellazione del campo di luce, un singolo raggio di luce può azionare contemporaneamente un gran numero di particelle, "Ilic dice. "Il raggiungimento di questo tipo di comportamento sarebbe di notevole interesse per la comunità di scienziati che studiano la manipolazione ottica di nanoparticelle e macchine molecolari." Kaminer aggiunge, "C'è un vantaggio nel controllare un gran numero di particelle contemporaneamente. È un'opportunità unica che abbiamo qui".

Soljacic afferma che questo lavoro si inserisce nell'area della fisica topologica, una fiorente area di ricerca che ha portato anche al Premio Nobel per la fisica lo scorso anno. La maggior parte di questi lavori, anche se, è stato focalizzato su condizioni abbastanza specializzate che possono esistere in certi materiali esotici chiamati media periodici. "In contrasto, il nostro lavoro indaga i fenomeni topologici nelle particelle, " lui dice.

E questo è solo l'inizio, suggerisce la squadra. Questa serie iniziale di simulazioni ha affrontato gli effetti solo con una particella a due facce molto semplice. "Penso che la cosa più eccitante per noi, "Kaminer dice, "C'è un enorme campo di opportunità qui. Con una particella così semplice che mostra dinamiche così complesse, " lui dice, è difficile immaginare cosa sarà possibile "con un'enorme gamma di particelle, forme e strutture che possiamo esplorare".