När du lyser en ljusstråle på din hand, du känner inte mycket, förutom lite värme som genereras av strålen. När du lyser in samma ljus i en värld som mäts på nano- eller mikroskala, ljuset blir ett kraftfullt manipuleringsverktyg som du kan använda för att flytta runt föremål – instängda i ljuset.

Forskare från Structured Light-gruppen från School of Physics vid University of the Witwatersrand i Johannesburg, Sydafrika, har hittat ett sätt att använda hela strålen från ett laserljus, att kontrollera och manipulera små föremål som enstaka celler i en människokropp, små partiklar i små volymer kemi, eller arbetar med framtida on-chip-enheter.

Medan den specifika tekniken, kallas holografisk optisk fångst och pincett, är inte ny, Wits-forskarna hittade ett sätt att optimalt utnyttja ljusets fulla kraft – inklusive vektorljus som tidigare inte var tillgängligt för denna applikation. Detta bildar den första vektorholografiska fällan.

"Tidigare var holografiska fällor begränsade till särskilda klasser av ljus (skalärt ljus), så det är väldigt spännande att vi kan avslöja en holistisk enhet som täcker alla klasser av ljus, inklusive replikering av alla tidigare fångstenheter, " Professor Andrew Forbes, teamledare för samarbetet och Distinguished Professor i School of Physics där han leder Wits Structured Light Laboratory.

"Vad vi har gjort är att vi har demonstrerat det första vektorholografiska optiska fångst- och pincettsystemet. Enheten tillåter mikrometerstora partiklar, såsom biologiska celler, att fångas och manipuleras endast med ljus."

Den slutliga enheten kunde fånga flera partiklar samtidigt och flytta runt dem bara med vektortillstånd av ljus. Experimenten för denna studie utfördes av Nkosi Bhebhe som en del av hans doktorandstudier. Verket publiceras i Natur s online-dagbok, Vetenskapliga rapporter .

I konventionella optiska fångst- och pincettsystem, ljus fokuseras mycket hårt till en liten volym som innehåller små partiklar, såsom biologiska celler. I denna lilla skala (typiskt mikro- eller nanometer) är krafterna som ljuset kan utöva betydande, så att partiklar kan fångas av ljuset och sedan kontrolleras. När ljuset flyttas, partiklarna kommer att röra sig med den. Denna idé vann den amerikanske vetenskapsmannen Arthur Ashkin 2018 års Nobelpris i fysik. Ursprungligen styrdes ljuset mekaniskt med scener och speglar, men idén förbättrades senare genom att flytta runt ljuset holografiskt, det är, genom att använda datorgenererade hologram för att styra ljuset utan rörliga delar, därigenom kontrollerar partiklarna. Hittills endast specialklasser av laserstrålar, kallade skalära strålar, skulle kunna användas i sådana holografiska fällor.

I deras artikel med titeln "En vektorholografisk optisk fälla, "Forskarna från Wits visade hur man skapar och kontrollerar alla ljusmönster holografiskt, och använde sedan detta för att bilda en ny optisk fångst- och pincettanordning.

"Särskilt skulle enheten kunna fungera med både traditionella laserstrålar (skalära strålar) och mer komplexa vektorstrålar. Vektorstrålar är mycket aktuella och har hittat många tillämpningar, men ingen vektorholografisk fälla var möjlig förrän nu, säger Forbes.

Wits-forskarna demonstrerar sin nya fälla genom att holografiskt kontrollera både skalära och vektorstrålar i samma enhet, att avancera det senaste och introducera en ny enhet för samhället. Gruppen förväntar sig att den nya enheten ska vara användbar i kontrollerade experiment i mikro- och nanovärlden, inklusive encellsstudier inom biologi och medicin, små kemiska reaktioner, grundläggande fysik och för framtida on-chip-enheter.

Efter att tidigare ha visat att det är möjligt att skapa hundratals anpassade ljusmönster från ett hologram, forskningen sammanför deras tidigare arbete om holografisk kontroll av ljus med tillämpning av optisk infångning och pincett.