Átomos Las moléculas o incluso las células vivas pueden manipularse con rayos de luz. En TU Wien se desarrolló un método para revolucionar este tipo de "pinzas ópticas".

Son una reminiscencia del "rayo tractor" en Star Trek :Pueden utilizarse haces de luz especiales para manipular moléculas o pequeñas partículas biológicas. Incluso se pueden capturar o mover virus o células. Sin embargo, estas pinzas ópticas solo funcionan con objetos en espacios vacíos o en líquidos transparentes. Cualquier entorno perturbador desviaría las ondas de luz y destruiría el efecto. Esto es un problema, en particular con muestras biológicas porque suelen estar incrustadas en un entorno muy complejo.

Pero los científicos de TU Wien (Viena) han demostrado ahora cómo se puede hacer virtud de la necesidad:se desarrolló un método de cálculo especial para determinar la forma de onda perfecta para manipular partículas pequeñas en presencia de un entorno desordenado. Esto hace posible sostener, mover o rotar partículas individuales dentro de una muestra, incluso si no se pueden tocar directamente. El haz de luz hecho a medida se convierte en un mando a distancia universal para todo lo pequeño. Los experimentos de microondas ya han demostrado que el método funciona. La nueva tecnología de pinzas ópticas se ha presentado ahora en la revista Fotónica de la naturaleza .

Pinzas ópticas en entornos desordenados

"El uso de rayos láser para manipular la materia ya no es nada inusual, "explica el profesor Stefan Rotter del Instituto de Física Teórica de TU Wien. En 1997, el Premio Nobel de Física se otorgó por los rayos láser que enfrían los átomos ralentizándolos. En 2018, otro Premio Nobel de Física reconoció el desarrollo de las pinzas ópticas.

Pero las ondas de luz son sensibles:en un desorden, ambiente irregular, pueden desviarse de una manera muy complicada y dispersarse en todas las direcciones. Un simple, la onda de luz plana se convierte en un complejo, patrón de onda desordenado. Esto cambia por completo la forma en que la luz interactúa con una partícula específica.

"Sin embargo, este efecto de dispersión se puede compensar, "dice Michael Horodynski, primer autor del artículo. "Podemos calcular cómo se debe dar forma a la onda inicialmente para que las irregularidades del entorno desordenado la transformen exactamente en la forma que queremos que tenga. En este caso, la onda de luz parece bastante desordenada y caótica al principio, pero el entorno desordenado lo convierte en algo ordenado. Innumerables pequeñas perturbaciones, lo que normalmente haría imposible el experimento, se utilizan para generar exactamente la forma de onda deseada, que luego actúa sobre una partícula específica.

Calculando la ola óptima

Lograr esto, la partícula y su entorno desordenado se iluminan primero con varias ondas y se mide la forma en que se reflejan las ondas. Esta medición se realiza dos veces seguidas rápidamente. "Supongamos que en el corto tiempo entre las dos mediciones, el entorno desordenado sigue siendo el mismo, mientras que la partícula que queremos manipular cambia ligeramente, "dice Stefan Rotter." Pensemos en una celda que se mueve, o simplemente se hunde un poco hacia abajo. Luego, la onda de luz que enviamos se refleja un poco diferente en las dos mediciones ". Esta pequeña diferencia es crucial:con el nuevo método de cálculo desarrollado en TU Wien, es posible calcular la onda que se debe utilizar para amplificar o atenuar este movimiento de partículas.

"Si la partícula se hunde lentamente hacia abajo, podemos calcular una onda que evita que este hundimiento o permita que la partícula se hunda aún más rápido, "dice Stefan Rotter." Si la partícula gira un poco, sabemos qué onda transmite el momento angular máximo; entonces podemos rotar la partícula con una onda de luz de forma especial sin siquiera tocarla ".

Experimentos exitosos con microondas

Kevin Pichler, también forma parte del equipo de investigación de TU Wien, pudo poner en práctica el método de cálculo en el laboratorio de los socios del proyecto en la Universidad de Niza (Francia):usó objetos de teflón dispuestos al azar, que irradió con microondas, y de esta manera logró generar exactamente esas formas de onda que, debido al desorden del sistema, produjo el efecto deseado.

"El experimento de microondas muestra que nuestro método funciona, ", informa Stefan Rotter." Pero el objetivo real es aplicarlo no con microondas sino con luz visible. Esto podría abrir campos de aplicaciones completamente nuevos para las pinzas ópticas y, especialmente en la investigación biológica, permitiría controlar las partículas pequeñas de una manera que antes se consideraba completamente imposible ".