可操控微颗粒的新型光镊技术

利用这种新型技术，原子、分子甚至活细胞都可以用光束操纵。在维也纳工业大学，这种革新的“光镊”技术被开发出来。

这种技术让人想起《星际迷航》中的“牵引光束”：特殊光束可以用来操纵分子或小生物粒子。甚至病毒或细胞也可以被捕获或移动。然而，这些光镊只适用于空旷空间或透明液体中的物体。任何存在扰动的环境都会使光波偏转并产生破坏效果。这是一个问题，特别是生物样品，因为它们通常嵌入在一个非常复杂的环境中。

但是，维也纳工业大学（维也纳）的科学家们现在已经展示了如何在必要的情况下实现新技术，即开发了一种特殊的计算方法来确定在无序环境中操纵小粒子的完美波形。这使得即使不能直接接触到单个粒子，也可以在样本中保持、移动或旋转它们。特制的光束变成了所有微型物体的通用遥控器。微波实验已经证明了该方法的有效性。新的光镊技术已经发表在《自然光子学Nature Photonics》杂志上。

上图所示为：在二次型结构目标上施加明确转矩的电波场的强度分布。

无序环境中的光镊

维也纳工业大学理论物理研究所的斯特凡·罗特教授解释说：“利用激光束来操纵物质已经不稀奇了。”。1997年，诺贝尔物理学奖颁发给了通过减慢原子速度来冷却原子的激光束。2018年，另一个诺贝尔物理学奖表彰了光镊的发展。

但光波是敏感的：在无序、不规则的环境中，光波可以以高度复杂的方式偏转，并向各个方向散射。一个简单的平面光波然后变成一个复杂的、无序的波型。这完全改变了光与特定粒子相互作用的方式。

 “然而，这种散射效应可以得到补偿，”这篇论文的第一作者Michael Horodynski说，“我们可以计算出波浪最初是如何形成的，这样无序环境的不规则性就可以把它准确地转变成我们想要的形状。在这种情况下，光波一开始看起来相当混乱，但混乱的环境使它变成有序的东西。无数的小扰动通常会使实验无法进行，它们被用来产生所需的波形，然后作用于特定的粒子。”

计算最优波

为了达到这一目的，首先用各种波照射粒子及其无序的环境，并测量波的反射方式。这种测量是连续两次快速进行的。“让我们假设在两次测量之间的短时间内，无序的环境保持不变，而我们想要操纵的粒子则略有变化让我们想象一个移动的细胞，或者简单地向下下沉一点。然后，我们发出的光波在两次测量中的反射略有不同，这个微小的差异是至关重要的：随着维也纳工业大学开发的新计算方法，有可能计算出必须用来放大或减弱这种粒子运动的波。”

“如果粒子慢慢下沉，我们可以计算出阻止这种下沉或让粒子更快下沉的波，”Stefan Rotter说如果粒子旋转一点点，我们知道哪个波传播最大角动量，然后我们可以用特殊形状的光波旋转粒子，而不接触它。”

成功的微波实验

Kevin Pichler也是维也纳工业大学研究团队的一员，他能够在尼斯大学（法国）项目合作伙伴的实验室中将计算方法付诸实践：他使用了随机排列的特氟龙物体，他用微波照射这些物体，这样他实际上成功地生成了那些波形，由于系统的紊乱，产生了预期的效果。

“微波实验表明我们的方法是有效的，”Stefan Rotter报告说，“但真正的目标不是用微波，而是用可见光。这将为光镊开辟全新的应用领域，特别是在生物学研究中，将使以前认为完全不可能的控制小颗粒成为可能。”

原文链接：https://phys.org/news/2019-11-remote-small.html