Оптический пинцет. Открытие, принесшее автору Нобелевскую премию.

Обычный пинцет позволяет манипулировать небольшими предметами, которые невозможно или нежелательно брать незащищенными руками. Но как быть, если необходимо переместить отдельный атом? В этом ученым помогает оптический пинцет.

 

 

История создания оптического пинцета

 

За последние десятилетия с помощью лазеров было сделано немало выдающихся открытий. И некоторые из них принесли своим авторам Нобелевские премии. В том числе и оптический пинцет.

Предположение о том, что свет оказывает давление на физические тела, было сделано еще в XVII веке астроном Кеплером. Теоретическое описание этого эффекта спустя 200 лет дал Джеймс Максвелл, а в 1910 году он был экспериментально подтвержден российским физиком Петром Лебедевым.

Исследование воздействия света на отдельные микроскопические частицы стало возможным после изобретения лазера в 1961 году. Уже в 1970-м в журнале «Physical Review» вышла работа Артура Ашкина «Ускорение и захват частиц давлением излучения». В 1987 году Ашкин продемонстрировал управление и захват одиночных частиц с помощью инфракрасного лазерного излучения. В 2018 году за свое изобретение Ашкин получил Нобелевскую премию по физике. 

Начиная с 1980-х годов оптический пинцет широко используется для проведения исследований в биологии.

 

 

Принцип действия оптического пинцета

 

Как известно, фотон — это частица, не имеющая массы покоя, но характеризующаяся энергией E и импульсом p. Если он попадает на отражающую поверхность, то сообщает ей свой импульс. 

Но что произойдет, если фотоны попадут на прозрачную частицу?

В этом случае пучок отклонится на некоторую величину. Направление импульса и, соответственно, скорости изменится. При этом возникнет сила, которая заставит частицу сместиться в сторону наибольшей интенсивности излучения.

 

 

И здесь вступает в силу особенность лазерного пучка: энергия в нем распределена неравномерно. Интенсивность излучения в центре выше, чем по краям, и подчиняется так называемому распределению Гаусса. В результате попавшая в такое поле частица начнет смещаться к центру пучка. Если же излучение сфокусировать, то она втянется в точку фокуса и окажется пойманной. Перемещая фокус, можно управлять положением частицы.

Для работы оптической ловушки не нужна высокая интенсивность излучения. В опубликованной в журнале Review Scientific Instruments статье Ньюмана и Блока «Optical trapping» (2004 год) приводится оценка максимальной величины светового давления: она составляет 1 пН на 10 мВт мощности лазерного излучения. Это на три порядка превышает влияние силы тяжести на частицу микронного размера и достаточно для ее удержания.

На практике же мощность может варьироваться от нескольких десятков милливатт до ватта и более — в зависимости от используемого лазерного оборудования и решаемых задач.

 

 

Развитие технологии

 

Простейшая концепция с использованием гауссовых пучков имеет ряд недостатков, связанных с расходимостью лазерного излучения. Из-за дифракционных явлений получить идеально параллельный пучок невозможно, и, кроме того, чем сильнее он стянут в фокус, тем сильнее расходится после него. Эти факторы делают невозможным удержание частицы за пределами фокального пятна, а также удержание нескольких частиц.

Закономерно, что ученые стали искать пути обхода этого ограничения. И технология оптического пинцета получила развитие за счет использования излучения с модовым составом более высокого порядка:

• эрмит-гауссовых пучков;
• лаггер-гауссовых пучков;
• бесселевых пучков.

 

 

Если гауссов пучок может втягивать в себя только преломляющую частицу, то с помощью лаггер-гауссова можно управлять отражающими и поглощающими объектами, а также вращать их вокруг центра пучка. 

Бесселев пучок в проекции на экран представляет собой яркое пятно в окружении концентрических колец. Чтобы его получить, обычный гауссов пучок фокусируют с помощью аксикона — конической линзы. Причем в результате фокусировки получается не точка, а так называемый «световой шнур»: то есть на коротком отрезке на оптической оси пучок не расходится.

У бесселева пучка есть еще одно важное достоинство: он способен самовосстанавливаться за счет волн, проходящих мимо препятствия. Их интерференция восстанавливает первоначальное распределение интенсивности.

Благодаря этим свойствам с помощью бесселевых пучков не только удобно захватывать частицы на относительно протяженном участке, но и осуществлять операции с несколькими частицами одновременно.

Для манипуляций с большим числом объектов также используют мультиплексные лазерные пинцеты, разбивая излучение лазера на несколько пучков с помощью модуляторов и дифракционных элементов.

 

 

Значение открытия для науки

 

Удивительно, но изобретение оптического пинцета, принесшее Артуру Ашкину Нобелевскую премию по физике, произвело революцию в первую очередь в биологии.

Для манипуляций с клетками, белками и ДНК не подходят механические инструменты. А с помощью оптического пинцета этими объектами можно управлять бесконтактно. Кроме того, биологические объекты слабо поглощают длину волны 1064 нм, поэтому воздействие излучения не приводит к их повреждению.

Эти факторы позволяют исследовать живые клетки и бактерии, а также проводить внутриклеточные операции invivo. 

Отдельного внимания заслуживает исследование внутриклеточных процессов, таких как движение моторных белков — кинезина и миозина.

Конечно, оптические пинцеты применяются не только в биологии. Способность лазерного излучения захватывать и удерживать микроскопические объекты применяется и в других областях науки — физике, химии.

Адаптация технологии для захвата и охлаждения отдельных атомов позволила получить предсказанный еще в 1925 году бозе-конденсат — агрегатное состояние вещества, в котором оно состоит из бозонов, охлажденных до близких к абсолютному нулю температур. Открытие сильно продвинуло исследование квантовых явлений, позволив наблюдать их на макроскопическом уровне.

Оптические пинцеты используются в проведении ДНК-исследований, для клеточной сортировки, исследований крови, изучения поведения частиц в магнитных полях и в других передовых областях науки и техники, поэтому значение этого открытия трудно переоценить.

Подписывайтесь на канал, чтобы не пропустить новых публикаций об исследованиях и открытиях, сделанных с помощью лазерных технологий.