研究人员用光处理纳米粒子 2017-02-16 08:13:15

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研究人员在模拟中创建了第一个系统,其中可以通过普通光束而不是其他系统所需的昂贵的专用光源进行操作

麻省理工学院的科学家们在模拟中创建了第一个系统,其中颗粒 - 从大致分子到细菌大小 - 可以通过普通光束而不是其他系统所需的昂贵的专用光源来操纵科幻小说中充满了幻想的设备,允许光与物质强有力地相互作用,从光剑到光子驱动火箭近年来,科学已经开始迎头赶上;一些结果暗示了原子尺度下光与物质之间有趣的现实世界相互作用,研究人员已经制作了诸如光学拖拉机光束,镊子和涡旋光束等设备

现在,麻省理工学院和其他地方的一个团队在寻求这种奇特的装置,通过在模拟中创建第一个系统,其中粒子 - 从大致分子到细菌大小 - 可以通过一束普通光而不是其他系统所需的昂贵的专用光源来操纵

今天的研究结果报道由麻省理工学院博士后Ognjen Ilic PhD '15,Ido Kaminer和Bo Zhen撰写的“科学进展”杂志;物理学教授MarinSoljačić;另外两项大多数试图用光来操纵物质的研究,无论是通过推开单个原子或小颗粒,吸引它们还是旋转它们,都涉及使用复杂的激光束或其他严格限制使用的专用设备

这样的系统可以应用于“我们的方法是看看我们是否可以获得所有这些有趣的机械效果,但是使用非常简单的光线,”Ilic说团队决定将粒子本身设计为光束而不是光束

让他们以特定的方式对普通光作出反应作为他们的初步测试,研究人员创造了模拟不对称粒子,称为Janus(双面)粒子,直径只有微米 - 人类头发宽度的百分之一这些微小的球体是由二氧化硅核心组成,侧面涂有薄金层当暴露在光束下时,这些粒子的双面结构会引起相互作用研究人员发现,相对于光束的方向会改变它们的对称轴,同时,这种相互作用会产生使粒子均匀旋转的力

同一光束可以同时影响多个粒子

旋转速度可以通过改变光的颜色来改变同样的系统,研究人员说,可以应用于产生不同类型的操作,例如移动粒子的位置最终,这个新原理可能适用于移动粒子身体内部,使用光来控制他们的位置和活动,用于新的医学治疗它也可以用于基于光学的纳米机械关于控制光和物质之间相互作用的越来越多的方法,Kaminer说,“我想到这一点作为军火库中的新工具,非常重要的一个“Ilic说这项研究”能够实现传统应用无法实现的动态塑造光束的蟑螂,“并且可以使这一点难以预见的广泛应用成为可能

例如,在许多潜在的应用中,例如生物用途,纳米粒子可能正在一个极其复杂,不断变化的环境中移动它会扭曲和散射其他类型的粒子操纵所需的光束但是这些条件对于激活团队的不对称粒子所需的简单光束无关紧要“因为我们的方法不需要对光场进行整形,只有一束光线可以同时驱动大量的粒子,“Ilic说”对于研究纳米粒子和分子机器的光学操作的科学家来说,实现这种类型的行为将引起相当大的兴趣“Kaminer补充说,”控制大量粒子有一个优势这是我们在这里有一个独特的机会“Soljačić说这项工作适合于这个领域pological physics,一个新兴的研究领域,也导致了去年的诺贝尔物理学奖 然而,大多数此类工作一直专注于相当特殊的条件,这些条件可能存在于称为周期性介质的某些特殊材料中“相反,我们的工作调查了粒子中的拓扑现象,”他说,这只是一个开始,团队建议这个初始一组模拟只用一个非常简单的双面粒子来解决这个问题“我认为对我们来说最令人兴奋的事情,”卡米纳说,“这里有一个巨大的机会领域,这样一个简单的粒子显示出如此复杂的动态,”他他说,很难想象“我们可以探索到大量的粒子,形状和结构”,“拓扑已被发现是描述少数物理系统的有力工具,”助手Mikael Rechtsman说道

宾夕法尼亚州立大学物理学教授没有参与这项工作“每当一个系统可以用拓扑数描述时,它就必然对缺陷非常不敏感在现实条件下存在Soljačić的小组已经设法找到另一个重要的物理系统,其中这种拓扑稳健性可以发挥作用,即用光控制和操纵纳米粒子

具体而言,他们发现某些粒子的旋转状态可以是'拓扑保护'在激光束通过系统传播时高度稳定这可能对捕获和探测单个病毒和DNA具有重要意义,例如“团队还包括耶鲁大学的Owen Miller和大学的Hrvoje Buljan克罗地亚萨格勒布的工作美国陆军研究办公室通过士兵纳米技术研究所,国家科学基金会和欧洲研究委员会出版物支持这项工作:Ognjen Ilic等,“拓扑结构光学纳米机”,Science Advances 30 2017年6月:第3卷,第6期,e1602738,DOI:101126 / sciadv1602738来源:Davi d L Chandler,麻省理工学院新闻