當(dāng)你在手上照射一束光時，除了光束產(chǎn)生的一點熱量外，你感覺不到多少。當(dāng)您將相同的光線照射到以納米級或微米級測量的世界時，光線將成為一種強(qiáng)大的操縱工具，您可以使用它來移動物體 - 安全地被困在光線中。

來自南非約翰內(nèi)斯堡威特沃特斯蘭德大學(xué)物理學(xué)院的結(jié)構(gòu)光團(tuán)隊的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種利用激光全光束來控制和操縱微小物體的方法，例如人體中的單細(xì)胞體，小體積化學(xué)中的微小顆粒，或未來的片上器件。

雖然稱為全息光學(xué)陷印和鑷子的特定技術(shù)并不是新技術(shù)，但是Wits研究人員找到了一種最佳地利用光的全部力的方法 - 包括以前無法用于此應(yīng)用的矢量光。這形成了第一個矢量全息陷阱。

“以前的全息陷阱僅限于特定類別的光(標(biāo)量光)，所以我們可以展示涵蓋所有類別光的整體設(shè)備，包括復(fù)制以前所有的陷阱設(shè)備，這是非常令人興奮的，”Andrew Forbes教授，團(tuán)隊負(fù)責(zé)人他是物理學(xué)院的合作和杰出教授，他領(lǐng)導(dǎo)了智能結(jié)構(gòu)光實驗室。

“我們所做的是我們已經(jīng)展示了第一個矢量全息光學(xué)捕獲和鑷子系統(tǒng)。該設(shè)備允許微米大小的粒子，如生物細(xì)胞，只能用光捕獲和操縱。”

最終的設(shè)備可以同時捕獲多個粒子并僅使用矢量狀態(tài)光移動它們。本研究的實驗由Nkosi Bhebhe進(jìn)行，作為他博士研究的一部分。這項工作發(fā)表在Nature的在線期刊“ 科學(xué)報告”上。

在傳統(tǒng)的光學(xué)捕獲和鑷子系統(tǒng)中，光被非常緊密地聚焦到包含小顆粒的小體積中，例如生物細(xì)胞。在這種小規(guī)模(通常是微米或納米)下，光可以施加的力是顯著的，因此粒子可以被光捕獲然后被控制。隨著光線的移動，粒子會隨之移動。這個想法贏得了美國科學(xué)家阿瑟·阿什金2018年諾貝爾物理學(xué)獎。最初，光線是用平臺和鏡子機(jī)械控制的，但后來通過全息移動光線，即通過使用計算機(jī)生成的全息圖來控制光線而不移動部件，從而改善了這一想法，從而控制了粒子。到目前為止，在這種全息陷阱中只能使用特殊類別的激光束，稱為標(biāo)量光束。

在他們的題為“矢量全息光學(xué)陷阱”的論文中，Wits研究人員展示了如何創(chuàng)建和控制任何全息光模式，然后用它來形成一種新的光學(xué)陷阱和鑷子裝置。

“特別是該設(shè)備可以與傳統(tǒng)的激光束(標(biāo)量光束)以及更復(fù)雜的矢量光束一起工作。矢量光束是高度局部的，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多應(yīng)用，但直到現(xiàn)在還沒有矢量全息陷阱，”福布斯說。

Wits研究人員通過在同一設(shè)備中全息控制標(biāo)量和矢量光束來展示他們的新陷阱，推進(jìn)最新技術(shù)并向社區(qū)引入新設(shè)備。該小組希望這種新設(shè)備可用于微觀和納米世界的對照實驗，包括生物學(xué)和醫(yī)學(xué)中的單細(xì)胞研究，小體積化學(xué)反應(yīng)，基礎(chǔ)物理學(xué)和未來的片上器件。

之前已經(jīng)證明可以從一個全息圖創(chuàng)建數(shù)百個自定義光圖案，該研究將他們之前關(guān)于光全息控制的工作與光學(xué)捕獲和鑷子的應(yīng)用結(jié)合在一起。

全息光學(xué)陷阱的工作原理

在傳統(tǒng)的光阱中，光被非常緊密地聚焦，使得它可以對物質(zhì)施加力。這個問題，比如一個小顆粒，被困在光中。當(dāng)光線通過鏡子或機(jī)械平臺移動時，粒子隨之移動。這被稱為光學(xué)捕獲(捕獲粒子)和光學(xué)鑷子，像鑷子一樣移動粒子，但在這種情況下是由光制成的鑷子。為了減少機(jī)械控制，研究人員使用全息圖來控制光線。利用空間光調(diào)制器，可以編碼結(jié)構(gòu)化光圖案并在陷阱內(nèi)部移動這些圖案，從而可以同時捕獲和移動許多粒子。這開辟了許多令人興奮的新領(lǐng)域，但最終的全息光學(xué)陷阱(HOTs)僅限于標(biāo)量光束，這是可能的一小部分。另一類光束，矢量狀態(tài)，被認(rèn)為不可能全息控制。使用新的矢量HOT，現(xiàn)在可以使用所有光狀態(tài)。時間將是時間對整個社區(qū)意味著什么。