Atomer, molekyler eller till och med levande celler kan manipuleras med ljusstrålar. Vid TU Wien utvecklades en metod för att revolutionera sådana "optiska pincett".

De påminner om "traktorbalken" i Star Trek :Speciella ljusstrålar kan användas för att manipulera molekyler eller små biologiska partiklar. Även virus eller celler kan fångas eller flyttas. Dock, dessa optiska pincett fungerar endast med föremål i tomma utrymmen eller i transparenta vätskor. Varje störande miljö skulle avleda ljusvågorna och förstöra effekten. Det här är ett problem, i synnerhet med biologiska prover eftersom de vanligtvis är inbäddade i en mycket komplex miljö.

Men forskare vid TU Wien (Wien) har nu visat hur dygd kan göras av nödvändighet:En speciell beräkningsmetod utvecklades för att bestämma den perfekta vågformen för att manipulera små partiklar i närvaro av en oordnad miljö. Detta gör det möjligt att hålla, flytta eller rotera enskilda partiklar inuti ett prov – även om de inte kan vidröras direkt. Den skräddarsydda ljusstrålen blir en universell fjärrkontroll för allt det lilla. Mikrovågsexperiment har redan visat att metoden fungerar. Den nya optiska pincetttekniken har nu presenterats i tidskriften Nature Photonics .

Optisk pincett i oordnade miljöer

"Att använda laserstrålar för att manipulera materia är inget ovanligt längre, " förklarar prof. Stefan Rotter från Institutet för teoretisk fysik vid TU Wien. 1997, Nobelpriset i fysik delades ut för laserstrålar som kyler atomer genom att sakta ner dem. Under 2018, ett annat fysiknobelpris erkände utvecklingen av optisk pincett.

Men ljusvågor är känsliga:i en oordnad, oregelbunden miljö, de kan avledas på ett mycket komplicerat sätt och spridas åt alla håll. En enkel, plan ljusvåg blir då en komplex, oordnat vågmönster. Detta förändrar helt hur ljus interagerar med en specifik partikel.

"Dock, denna spridningseffekt kan kompenseras, " säger Michael Horodynski, tidningens första författare. "Vi kan beräkna hur vågen måste formas initialt så att oregelbundenheterna i den oordnade miljön omvandlar den exakt till den form vi vill att den ska vara. I det här fallet, ljusvågen ser till en början ganska oordnad och kaotisk ut, men den oordnade miljön gör det till något ordnat. Otaliga små störningar, vilket normalt skulle göra experimentet omöjligt, används för att generera exakt den önskade vågformen, som sedan verkar på en specifik partikel.

Beräknar den optimala vågen

För att uppnå detta, partikeln och dess oordnade miljö belyses först med olika vågor och sättet på vilket vågorna reflekteras mäts. Denna mätning utförs två gånger i snabb följd. "Låt oss anta att under den korta tiden mellan de två mätningarna, den oordnade miljön förblir densamma, medan partikeln vi vill manipulera ändras något, " säger Stefan Rotter. "Låt oss tänka på en cell som rör sig, eller helt enkelt sjunker ner en aning. Då reflekteras ljusvågen vi skickar in lite olika i de två mätningarna." Denna lilla skillnad är avgörande:Med den nya beräkningsmetoden som utvecklats vid TU Wien, det är möjligt att beräkna vågen som måste användas för att förstärka eller dämpa denna partikelrörelse.

"Om partikeln sakta sjunker nedåt, vi kan beräkna en våg som förhindrar att denna sjunker eller låter partikeln sjunka ännu snabbare, " säger Stefan Rotter. "Om partikeln roterar lite, vi vet vilken våg som överför det maximala vinkelmomentet - vi kan sedan rotera partikeln med en speciellt formad ljusvåg utan att någonsin röra den."

Framgångsrika experiment med mikrovågor

Kevin Pichler, också en del av forskargruppen vid TU Wien, kunde omsätta beräkningsmetoden i praktiken i labbet av projektpartners vid universitetet i Nice (Frankrike):Han använde slumpmässigt arrangerade teflonobjekt, som han bestrålade med mikrovågor - och på så sätt lyckades han faktiskt generera exakt de vågformer som, på grund av störningen i systemet, gav önskad effekt.

"Mikrovågsexperimentet visar att vår metod fungerar, " rapporterar Stefan Rotter. "Men det verkliga målet är att applicera det inte med mikrovågor utan med synligt ljus. Detta kan öppna upp helt nya applikationsområden för optisk pincett och, särskilt inom biologisk forskning, skulle göra det möjligt att kontrollera små partiklar på ett sätt som tidigare ansågs vara helt omöjligt."