a Ilustración de la clasificación de partículas quirales con la mano izquierda y derecha por la fuerza lateral óptica en una interfaz aire-agua. b Imagen microscópica de las micropartículas quirales. La barra de escala es igual a 5 μm. c Imagen SEM de micropartículas quirales poliméricas secas. La barra de escala es igual a 1 μm. d Imágenes TEM de láminas delgadas de micropartículas con diferentes tamaños y diferentes configuraciones en espiral. Las barras de escala equivalen a 1 μm. Campo eléctrico y vector de Poynting 2D en el plano y-z para θ de 10 ° (e) y 45 ° (f). Las cadenas de vectores de Poynting tienen un sesgo hacia la izquierda (e) y hacia la derecha (f), fuerzas laterales ópticas positivas (e) y negativas (f) resultantes respectivamente Crédito:por Cheng-Wei Qiu
El impulso de fotones portadores de luz puede empujar y tirar de micropartículas a través del intercambio de impulso. Este proceso de intercambio de impulso genera fuerzas ópticas, que atrae (pinzas ópticas convencionales), empuja (fuerza de radiación) o tira (fuerza de tracción) micropartículas. Un nuevo interés de investigación emergente, fuerza lateral óptica que representa la fuerza óptica perpendicular a la dirección de propagación de un haz sin gradiente, ha atraído mucha atención. La fuerza lateral se puede generar usando partículas aquirales a través de la conversión de espín y momento orbital de un haz polarizado circularmente. También se predice que una nanopartícula quiral colocada sobre una superficie puede generar la fuerza lateral utilizando una excitación de onda plana. Sin embargo, hay pocas demostraciones de la fuerza lateral dependiente de la quiralidad, y las partículas utilizadas en la predicción teórica son 100 nm, lo que tiene aplicaciones limitadas. Además, falta la teoría de la fuerza lateral óptica sobre partículas más grandes (tamaño ~ longitud de onda).
En un nuevo artículo publicado en Ciencias de la luz y aplicaciones , Los científicos diseñaron un experimento para demostrar la fuerza lateral óptica dependiente de la quiralidad. Sintetizan micropartículas con una fuerte quiralidad y las hacen flotar en la interfaz del aire y el agua. Después de la iluminación con un haz polarizado linealmente incidente oblicuamente, Las micropartículas quirales con diferente sentido de las manos (izquierda y derecha) se moverán en direcciones opuestas. Curiosamente, encuentran en teoría que la fuerza lateral óptica podría invertir signos con diferente polarización de luz y ángulo de incidencia, valor de quiralidad y tamaño de partícula. También desarrollaron modelos intrigantes en la perspectiva de la transferencia de impulso para elaborar esta fuerza lateral óptica. El método y la técnica informados abrirán nuevas vías para la futura detección directa y clasificación de micropartículas con diferencias químicas imperceptibles e inspirarán la exploración de fenómenos ópticos con interacciones luz-materia.
La configuración experimental es sencilla, solo requiere un rayo láser polarizado en s o p y enfocándolo en una forma elíptica usando dos lentes cilíndricas. Las micropartículas quirales flotan en la interfaz de aire y agua en un micropocillo fabricado mediante litografía blanda. Esta configuración ofrece muchas posibilidades para investigar la intrigante física óptica, como las interacciones espín-orbital, detección de quiralidad, etc.
a, b Las partículas quirales con la mano derecha (κ> 0) (a) y la mano izquierda (κ <0) (b) experimentan fuerzas laterales hacia la izquierda (R1, R2 y R3) y derecha (L1 y L2), respectivamente. Partículas con quiralidades débiles (etiquetadas F1, F2 y F3) podrían verse afectados por el flujo de fondo y moverse con casi las mismas velocidades. Las diferentes partículas tienen diferentes velocidades debido a los diferentes tamaños y quiralidades ligeramente diferentes. La potencia del láser utilizada fue de 1,4 W. Las barras de escala en ayb equivalen a 100 µm. c Velocidades medidas de partículas con diferentes quiralidades bajo diferentes potencias de láser. d Fuerza lateral óptica máxima medida en cada secuencia de video con diferentes tamaños de partículas y polarización de la luz. Las fuerzas laterales tienen signos opuestos bajo haces polarizados s y p cuando la quiralidad es la misma. Crédito:por Cheng-Wei Qiu
Estos científicos resumen su trabajo como:
"Diseñamos el primer experimento de fuerza lateral óptica asistida por quiralidad en partículas quirales de Mie (tamaño ~ longitud de onda) para separación enantioselectiva. Estudios recientes sobre separación enantioselectiva y partículas quirales se enfocan en partículas muy grandes (región de óptica geométrica, tamaño> longitud de onda) debido al límite del procedimiento de síntesis de partículas y las teorías existentes. Demostramos por primera vez, clasificación bidireccional robusta de partículas quirales de Mie, y el primer ejemplo de fuerzas laterales ópticas reversibles, que creemos es un complemento esencial para la comunidad de la óptica así como para las manipulaciones ópticas. Nuestra teoría estudia la dependencia de las fuerzas laterales ópticas reversibles con el tamaño de partícula, ángulo de incidencia, y polarización de la luz. En comparación con la fuerza lateral óptica no reversible anterior, Las partículas quirales de Mie son bastante únicas y no triviales, y tienen algunas propiedades interesantes. También, elaboramos sobre la fuerza lateral óptica desde la perspectiva de la transferencia de impulso, que es una forma sencilla de manifestar la fuerza lateral óptica ".
"Nuestro método es revelador y útil para la demostración de fuerzas extraordinarias, ya que descarta las fuerzas de gradiente óptico en las pinzas ópticas convencionales. Ayuda a complementar el ámbito de las fuerzas laterales ópticas tanto en teoría como en experimentos. La técnica presentada se puede utilizar para aplicaciones sin contacto control de la manipulación de las partículas quirales que existen ampliamente en la industria farmacéutica y biomateriales sin pruebas con métodos químicos o biológicos, "Añadieron el Dr. Yuzhi Shi y el Prof. Cheng-Wei Qiu.
