Science fiction är full av fantasifulla enheter som låter ljus interagera kraftfullt med materia, från ljussabel till fotondrivna raketer. På senare år har vetenskapen har börjat komma ikapp; vissa resultat antyder intressanta verkliga interaktioner mellan ljus och materia på atomskala, och forskare har producerat enheter som optiska traktorstrålar, pincett, och virvelbalkar.

Nu, ett team på MIT och på andra håll har drivit igenom en annan gräns i jakten på sådana exotiska redskap, genom att i simuleringar skapa det första systemet där partiklar – allt från ungefär molekylstorlek till bakteriestorlek – kan manipuleras av en stråle av vanligt ljus snarare än de dyra specialiserade ljuskällor som krävs av andra system. Fynden rapporteras idag i tidskriften Vetenskapens framsteg , av MIT postdocs Ognjen Ilic PhD '15, Ido Kaminer, och Bo Zhen; professor i fysik Marin Soljacic; och två andra.

Mest forskning som försöker manipulera materia med ljus, antingen genom att trycka bort enskilda atomer eller små partiklar, locka dem, eller snurra runt dem, involverar användning av sofistikerade laserstrålar eller annan specialiserad utrustning som kraftigt begränsar vilken typ av användning sådana system kan tillämpas på. "Vår metod är att titta på om vi kan få alla dessa intressanta mekaniska effekter, men med mycket enkelt ljus, " säger Ilic.

Teamet bestämde sig för att arbeta med att konstruera partiklarna själva, snarare än ljusstrålarna, att få dem att svara på vanligt ljus på särskilda sätt. Som deras första test, forskarna skapade simulerade asymmetriska partiklar, kallade Janus (tvåfasade) partiklar, bara en mikrometer i diameter-en hundradel bredden på ett människohår. Dessa små sfärer var sammansatta av en kiseldioxidkärna belagd på sidan med ett tunt lager guld.

När den utsätts för en ljusstråle, den tvåsidiga konfigurationen av dessa partiklar orsakar en interaktion som förskjuter deras symmetriaxlar i förhållande till strålens orientering, fann forskarna. På samma gång, denna interaktion skapar krafter som får partiklarna att snurra jämnt. Flera partiklar kan alla påverkas samtidigt av samma stråle. Och snurrhastigheten kan ändras genom att bara ändra färgen på ljuset.

Samma typ av system, forskarna, säga, kan användas för att producera olika typer av manipulationer, såsom att flytta partiklarnas positioner. I sista hand, denna nya princip kan tillämpas på att flytta partiklar runt inuti en kropp, använda ljus för att kontrollera sin position och aktivitet, för nya medicinska behandlingar. Det kan också hitta användningsområden i optiskt baserad nanomaskineri.

Om det växande antalet metoder för att kontrollera interaktioner mellan ljus och materiella föremål, Kaminer säger, "Jag tänker på det här som ett nytt verktyg i arsenalen, och en mycket betydelsefull sådan."

Ilic säger att studien "möjliggör dynamik som kanske inte uppnås med den konventionella metoden att forma ljusstrålen, " och skulle kunna möjliggöra ett brett spektrum av tillämpningar som är svåra att förutse just nu. Till exempel, i många potentiella tillämpningar, såsom biologiska användningar, nanopartiklar kan röra sig i ett otroligt komplext, förändrad miljö som skulle förvränga och sprida strålarna som behövs för andra typer av partikelmanipulation. Men dessa förhållanden spelar ingen roll för de enkla ljusstrålarna som behövs för att aktivera lagets asymmetriska partiklar.

"Eftersom vårt tillvägagångssätt inte kräver formning av ljusfältet, en enda ljusstråle kan samtidigt påverka ett stort antal partiklar, " Ilic säger. "Att uppnå denna typ av beteende skulle vara av stort intresse för gemenskapen av forskare som studerar optisk manipulation av nanopartiklar och molekylära maskiner." Kaminer tillägger, "Det finns en fördel med att kontrollera ett stort antal partiklar på en gång. Det är en unik möjlighet vi har här."

Soljacic säger att detta arbete passar in i området topologisk fysik, ett spirande forskningsområde som också ledde fram till förra årets Nobelpris i fysik. De flesta sådant arbete, fastän, har fokuserats på ganska specialiserade förhållanden som kan finnas i vissa exotiska material som kallas periodiska medier. "I kontrast, vårt arbete undersöker topologiska fenomen i partiklar, " han säger.

Och det här är bara början, föreslår teamet. Denna första uppsättning simuleringar tog bara upp effekterna med en mycket enkel tvåsidig partikel. "Jag tror att det mest spännande för oss, "Kaminer säger, "finns det ett enormt fält av möjligheter här. Med en så enkel partikel som visar en så komplex dynamik, " han säger, det är svårt att föreställa sig vad som kommer att vara möjligt "med ett enormt utbud av partiklar och former och strukturer vi kan utforska."