Cuando haces brillar un rayo de luz en tu mano, no sientes mucho, excepto por un poco de calor generado por el rayo. Cuando iluminas con esa misma luz un mundo que se mide en la escala nano o micro, la luz se convierte en una poderosa herramienta de manipulación que puede utilizar para mover objetos, atrapados de forma segura en la luz.

Investigadores del grupo de Luz Estructurada de la Facultad de Física de la Universidad de Witwatersrand en Johannesburgo, Sudáfrica, han encontrado una forma de utilizar el haz completo de una luz láser, para controlar y manipular objetos diminutos como células individuales en un cuerpo humano, partículas diminutas en química de pequeño volumen, o trabajando en futuros dispositivos en chip.

Si bien la técnica específica, llamado atrapamiento óptico holográfico y pinzas, no es nuevo, los investigadores de Wits encontraron una manera de utilizar de manera óptima toda la fuerza de la luz, incluida la luz vectorial que antes no estaba disponible para esta aplicación. Esto forma la primera trampa holográfica vectorial.

"Anteriormente, las trampas holográficas estaban limitadas a clases particulares de luz (luz escalar), por lo que es muy emocionante que podamos revelar un dispositivo holístico que cubre todas las clases de luz, incluida la replicación de todos los dispositivos de captura anteriores, "Profesor Andrew Forbes, Líder del equipo de la colaboración y Profesor Distinguido de la Facultad de Física donde dirige el Laboratorio de Luz Estructurada Wits.

"Lo que hemos hecho es que hemos demostrado el primer sistema óptico holográfico de captura y pinza de vectores. El dispositivo permite partículas de tamaño micrométrico, como las células biológicas, para ser capturado y manipulado solo con luz ".

El dispositivo final podría atrapar múltiples partículas a la vez y moverlas solo con estados vectoriales de luz. Los experimentos para este estudio fueron realizados por Nkosi Bhebhe como parte de sus estudios de doctorado. El trabajo está publicado en Naturaleza diario en línea, Informes científicos .

En los sistemas de captura y pinza ópticos convencionales, la luz se enfoca con mucha fuerza en un pequeño volumen que contiene pequeñas partículas, como las células biológicas. A esta pequeña escala (típicamente micro o nanómetros) las fuerzas que puede ejercer la luz son significativas, por lo que las partículas pueden ser atrapadas por la luz y luego controladas. A medida que la luz se mueve las partículas se moverán con él. Esta idea le valió al científico estadounidense Arthur Ashkin el premio Nobel de Física 2018. Originalmente, la luz se controlaba mecánicamente con escenarios y espejos, pero la idea se mejoró más tarde moviendo la luz holográficamente, es decir, mediante el uso de hologramas generados por computadora para controlar la luz sin partes móviles, controlando así las partículas. Hasta ahora solo clases especiales de rayos láser, llamados rayos escalares, podría usarse en tales trampas holográficas.

En su artículo titulado "Una trampa óptica holográfica vectorial, "los investigadores de Wits mostraron cómo crear y controlar cualquier patrón de luz holográficamente, y luego usó esto para formar un nuevo dispositivo óptico de captura y pinza.

"En particular, el dispositivo podría funcionar tanto con los rayos láser tradicionales (rayos escalares) como con rayos vectoriales más complejos. Los rayos vectoriales son de gran actualidad y han encontrado muchas aplicaciones, pero hasta ahora no era posible una trampa holográfica vectorial, "dice Forbes.

Los investigadores de Wits demuestran su nueva trampa controlando holográficamente los haces escalares y vectoriales en el mismo dispositivo. avanzando el estado de la técnica e introduciendo un nuevo dispositivo a la comunidad. El grupo espera que el nuevo dispositivo sea útil en experimentos controlados en los mundos micro y nano, incluidos los estudios unicelulares en biología y medicina, reacciones químicas de pequeño volumen, física fundamental y para futuros dispositivos en chip.

Habiendo demostrado previamente que es posible crear cientos de patrones de luz personalizados a partir de un holograma, la investigación reúne su trabajo anterior sobre el control holográfico de la luz con la aplicación de trampas ópticas y pinzas.