30.09.2008

Свет задвинул шарик за угол

Три шотландских физика научились с помощью света перемещать предметы по кривым траекториям. При этом сам источник света стоит неподвижно. Принцип можно применять для очистки жидкостей от небольших частиц – например, бактерий. Но для самих физиков это первое практическое применение красивейшего оптического явления – пучка Эйри.

Захватывать и удерживать небольшие непроводящие частицы силой электромагнитных волн учёные научились ещё в 70-х годах прошлого века. С тех пор методика «лазерных щипцов», или «оптического пинцета», как её иногда называют, значительно продвинулась вперёд и нашла применение не только в физических лабораториях, но и в химии, биофизике, структурной и молекулярной биологии и многих других науках.

Например, биологи могут с помощью оптических ловушек перемещать клетки под объективом микроскопа. А химики – растянуть цепочку молекулы ДНК, концы которой закреплены на двух стеклянных шариках, и в деталях изучить, какими свойствами обладают её отдельные участки. Или же – хоть чисто ради интереса – измерить, какую силу надо приложить, чтобы разорвать молекулу на части (если вам тоже интересно – примерно полнаноньютона, это вес пылинки размером в пару микрон).

Однако во всех указанных случаях частицы удерживаются в фокусе сфокусированного объективом лазерного пучка, и для их перемещения нужно либо наклонять объектив – для перемещения из стороны в сторону, либо изменять фокусное расстояние – для коррекции глубины. В принципе, двигать пылинки или клетки можно и неподвижным лучом – свет оказывает небольшое давление на частицы. Но двигаться они будут исключительно вдоль луча, разгоняемые его давлением (know how «лазерных щипцов» – фокусировка пучка – для того и предназначена, чтобы остановить это движение). Лучи же света обычно прямые.

Однако есть и исключения. Хотя электромагнитные колебания распространяются по прямым – не верьте сообщениям о «завязанных в узлы» лучах света – это утверждение относится лишь к потоку энергии в луче. Но для удержания частиц важен не поток световой энергии, а то, насколько её плотность меняется от точки к точке. В фокусе лазерного пучка она максимальна, потому частички и держатся здесь, чуть отодвинутые от самого центра давлением излучения.

Чтобы добиться перемещения света по кривой, двое молодых физиков – Йорг Баумгартль, Майкл Мазилу – и их руководитель Кишан Дхолакия воспользовались одним из «оптических чудес» – пучками Эйри.

В пучке Эйри отдельные световые волны также распространяются по прямой, однако их относительные фазы и амплитуды подогнаны так, что максимум энергии в пространстве вырисовывает постоянную во времени кривую параболической формы. За основной кривой следуют несколько побочных, которые послабее. Поскольку сами электромагнитные волны распространяются всё-таки по прямым, уходя в сторону от парабол, плотность энергии в кривом пучке падает с удалением от источника.

Проблема только в том, что истинный пучок Эйри создать невозможно. Любой ограниченный по краям поток света – будь то луч фонарика или самого совершенного лазера – всегда расходится. Конечно, лазер меньше, а фонарик больше, но расходимость есть всегда. Причина этого в самой природе света, который есть не что иное, как электромагнитные колебания, бесконечное взаимопревращение поддерживающих друг друга электрических и магнитных колебаний.

Бесконечно широкие пучки света – притом с очень чётко подогнанными значениями фазы и амплитуды колебаний поля по всему профилю пучка – могут существовать, не меняясь со временем. Существуют даже два типа таких решений уравнений. Одно из них – так называемые пучки Бесселя, которые двигаются по прямой, а другой – упомянутые пучки Эйри. Вот только бесконечно большой у них должна быть не только ширина, но и энергия. А все «приближённые» пучки со временем всё-таки будут расходиться, хотя и гораздо медленнее, чем лучи обычных лазеров и уж тем более фонариков.

Лишь в прошлом году физики Деметрий Хирстодулидес и Аристид Догариу из Университета Центральной Флориды сначала теоретически обосновали оптимальное такое приближение, а затем и реализовали его на практике. Вместе с коллегами они направили луч лазера на массив из полумиллиона крохотных жидкокристаллических пикселов, коэффициенты отражения и преломления которых были настроены таким образом, чтобы на выходе получился приближённый пучок Эйри. Результаты показали, что ведёт он себя точно так, как предсказывает теория.

Руководитель шотландской группы Университета им. апостола Андрея в Шотландии профессор Кишан Дхолакия уже прославился работой по экспериментальному созданию «лазерных щипцов» на основе пучков Бесселя. Неудивительно, что нечто подобное ему захотелось реализовать и в случае пучков Эйри. Вместе со своими коллегами Йоргом Баумгартлем и Майклом Мазилу он повторил достижение двух американских греков и приспособил получившийся искривлённый «луч» для перемещения объектов по кривой. Результаты этой работы приняты к публикации в Nature Photonics.

В качестве объектов выступали крохотные, диаметром всего полтора микрона стеклянные шарики, порошок которых он развёл в воде, получив «стеклянную суспензию». Слой этой суспензии толщиной всего 0,1 миллиметра учёные налили в крохотный бочонок шириной в несколько десятков микрон. Через его прозрачное дно они пропустили пучок Эйри, предварительно сжатый в 100 раз для увеличения плотности энергии.

Светового потока 25-милливатного аргонного лазера оказалось достаточно, чтобы поднять частицы над поверхностью, а искривлённая форма пучка направила движение частиц в заданном направлении. За пару минут все стеклянные шарики из одного сектора бочонка были переброшены в другой. Посмотреть на первые полминуты этого процесса можно на видеоролике, предоставленном «Газете.Ru» авторами.

Правда, полностью очистить сектор не удалось – физически сектора ничем не разделены, и стеклянные шарики продолжали прибывать в «эвакуируемый угол» со стороны соседей. Но добиться стационарного режима получилось. Чтобы удостовериться, что никакого обмана нет, Дхолакия и его коллеги развернули пучок наоборот и так же скоро очистили только что заполненный сектор.

«Мы явно показали, что некоторые пучки света не расползаются, а могут заворачивать за углы и даже перемещать таким образом частицы», – сказал профессор Дхолакия. А Йорг Баумгартль уверен, что эта методика обязательно найдёт применение в клеточной биологии и сортировке частиц.

Источники:

1. Газета.Ru