La ciencia ficción está llena de dispositivos fantásticos que permiten que la luz interactúe con fuerza con la materia, desde sables de luz hasta cohetes impulsados ​​por fotones. En años recientes, la ciencia ha comenzado a ponerse al día; algunos resultados apuntan a interacciones interesantes en el mundo real entre la luz y la materia a escalas atómicas, y los investigadores han producido dispositivos como rayos tractores ópticos, pinzas, y haces de vórtice.

Ahora, un equipo en el MIT y en otros lugares ha superado otro límite en la búsqueda de artilugios tan exóticos, mediante la creación en simulaciones del primer sistema en el que las partículas, que van desde el tamaño aproximado de una molécula hasta el de una bacteria, pueden ser manipuladas por un haz de luz ordinaria en lugar de las costosas fuentes de luz especializadas requeridas por otros sistemas. Los hallazgos se informan hoy en la revista. Avances de la ciencia , por los postdoctorados del MIT Ognjen Ilic PhD '15, Ido Kaminer, y Bo Zhen; el profesor de física Marin Soljacic; y otros dos.

La mayoría de las investigaciones que intentan manipular la materia con luz, ya sea alejando átomos individuales o partículas pequeñas, atrayéndolos, o haciéndolos girar, implica el uso de sofisticados rayos láser u otro equipo especializado que limita severamente los tipos de usos de tales sistemas a los que se pueden aplicar. "Nuestro enfoque es ver si podemos obtener todos estos efectos mecánicos interesantes, pero con luz muy simple, "Dice Ilic.

El equipo decidió trabajar en la ingeniería de las propias partículas, en lugar de los rayos de luz, para que respondan a la luz ordinaria de formas particulares. Como prueba inicial, los investigadores crearon partículas asimétricas simuladas, llamadas partículas de Janus (dos caras), sólo un micrómetro de diámetro, una centésima parte del ancho de un cabello humano. Estas diminutas esferas estaban compuestas por un núcleo de sílice recubierto por un lado con una fina capa de oro.

Cuando se expone a un rayo de luz, la configuración de dos lados de estas partículas provoca una interacción que cambia sus ejes de simetría con respecto a la orientación del haz, los investigadores encontraron. Al mismo tiempo, esta interacción crea fuerzas que hacen que las partículas giren uniformemente. Múltiples partículas pueden verse afectadas a la vez por el mismo rayo. Y la velocidad de giro se puede cambiar simplemente cambiando el color de la luz.

El mismo tipo de sistema, los investigadores, decir, podría aplicarse a la producción de diferentes tipos de manipulaciones, como mover las posiciones de las partículas. Por último, este nuevo principio podría aplicarse al movimiento de partículas dentro de un cuerpo, usar la luz para controlar su posición y actividad, para nuevos tratamientos médicos. También podría encontrar usos en nanomáquinas de base óptica.

Sobre el creciente número de enfoques para controlar las interacciones entre la luz y los objetos materiales, Kaminer dice:"Pienso en esto como una nueva herramienta en el arsenal, y uno muy significativo ".

Ilic dice que el estudio "permite una dinámica que puede no lograrse con el enfoque convencional de dar forma al haz de luz, "y podría hacer posible una amplia gama de aplicaciones que son difíciles de prever en este momento. Por ejemplo, en muchas aplicaciones potenciales, como los usos biológicos, las nanopartículas pueden estar moviéndose de una manera increíblemente compleja, entorno cambiante que distorsionaría y dispersaría los rayos necesarios para otros tipos de manipulación de partículas. Pero estas condiciones no importarían a los simples haces de luz necesarios para activar las partículas asimétricas del equipo.

"Debido a que nuestro enfoque no requiere dar forma al campo de luz, un solo haz de luz puede accionar simultáneamente una gran cantidad de partículas, "Dice Ilic." Lograr este tipo de comportamiento sería de considerable interés para la comunidad de científicos que estudian la manipulación óptica de nanopartículas y máquinas moleculares ", agrega Kaminer, "Hay una ventaja en controlar una gran cantidad de partículas a la vez. Es una oportunidad única que tenemos aquí".

Soljacic dice que este trabajo encaja en el área de la física topológica, un área de investigación floreciente que también llevó al Premio Nobel de Física el año pasado. La mayor parte de ese trabajo, aunque, se ha centrado en condiciones bastante especializadas que pueden existir en ciertos materiales exóticos llamados medios periódicos. "A diferencia de, nuestro trabajo investiga fenómenos topológicos en partículas, " él dice.

Y esto es solo el comienzo sugiere el equipo. Este conjunto inicial de simulaciones solo abordó los efectos con una partícula de dos caras muy simple. "Creo que lo más emocionante para nosotros, "Kaminer dice, "hay un enorme campo de oportunidades aquí. Con una partícula tan simple que muestra una dinámica tan compleja, " él dice, es difícil imaginar lo que será posible "con una enorme variedad de partículas, formas y estructuras que podemos explorar".