Коллектив физиков из Чжэцзянского университета, Китай, экспериментально показал, что световой поток может одновременно толкать и тянуть одну и ту же золотую пластинку. Одновременное существование этих сил объясняется двумя разными эффектами, а их баланс зависит от положения освещаемого объекта, что в итоге заставляет его бегать туда-сюда. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Манипуляция микро- и нанообъектами является одной из ключевых задач во многих приложениях, в частности, в устройствах для анализа биологических объектов (например, клеток). Так как на малых масштабах практически всегда неудобно или невозможно реализовать механические актуаторы (подробно о них можно прочитать здесь), для управления мелкими частицами используют движение несущей среды (газа или жидкости), а также внешние поля. 

Схематичное изображение экспериментальной системы: небольшая золотая пластинка движется по заостренному кончику оптоволокна под действием оптической или фотофоретической сил. Изображение: J. Lu et al., Phys. Rev. Lett.

Другим удобным инструментов для манипуляции является свет, на основе которого, например, работают оптические пинцеты. Однако их возможности ограничены, поэтому с их помощью не всегда удается заставить частицу двигаться в нужном направлении. В новой работе авторы показали, что за счет баланса двух оптических сил можно управлять движением довольно крупного объекта — золотой микропластинки. При этом даже можно создать в такой системе подобие маятника для перевода световой энергии в механическую. 

Ученые использовали оптоволокно, кончик которого имел конусообразную форму. На него помещали золотую пластину, а затем по оптоволокну запускали свет со сверхшироким спектром (суперконтинуум), который выходил из заостренного конца оптоволокна. В исследуемой системе возникало сразу два оптических эффекта, благодаря которым золотая пластинка приходила в движение. Первый эффект объяснялся «обычной» оптической силой, которую проще всего объяснить прямым обменом импульсом между фотонами и облучаемым объектом. Второй эффект был фотофоретическим: из-за неравномерной толщины кончик оптоволокна прогревался сильнее, чем более толстая часть, что также создавало перепад температуры в золотой пластинке, если она в этот момент лежала близко к кончику. За счет градиента температуры воздух вокруг пластинки также неравномерно нагревался, поэтому тепловое движение вблизи горячей части пластинки было более интенсивным, а значит, и давление с этой стороны было больше.

Физики описали, как золотая пластинка периодически перемещалась вдоль оптоволокна: когда она лежала близко к кончику, термофоретическая сила была велика за счет большого градиента температуры, что толкало пластину назад. Но как только она удалялась достаточно далеко, чтобы перепад толщины волокна (а значит, и перепад температуры) пропадал, оптическая сила становилась больше фотофоретической и пластинка опять двигалась вперед, в направлении кончика. Этот цикл продолжался до тех пор, пока пластинка не отъезжала далеко от кончика, когда толкающая оптическая сила становилась недостаточной для преодоления силы трения.

Авторы подчеркивают, что обе описанные ими силы и раньше наблюдались в эксперименте, однако до сих пор никому не удавалось заставить их действовать в противоположные стороны и при этом быть достаточно сильными, чтобы толкать объект микронного масштаба. В будущем ученые надеются, что их исследование станет основой для разработки оптического микромотора.

Автор: Тарас Молотилин