Китайские физики подробно изучили поведение левитирующей в оптическом пинцете микрочастицы в условиях центрифугирования. Они показали, что такая система может быть использована для измерения массы частиц, а также в качестве детектора угловой скорости или гироскопа.

Исследование опубликовано в Optics Letters.

Оптические пинцеты стали неотъемлемым инструментом современного физического эксперимента. В их основе лежит способность сфокусированного пучка света удерживать микрочастицы в определенной области пространства за счет давления света. Это оказывается полезно для множества задач атомной и молекулярной физики, химии, биологии и других областей. За изобретение оптического пинцета в 2018 году была присуждена Нобелевская премия по физике.

Помимо чисто практических целей удержание частиц в пинцете представляет интерес благодаря богатой динамике, сопровождающей такую оптическую левитацию. Захваченные микрочастицы испытывают движение центра масс, вращение, либрацию и прецессию. Все эти типы движения, с одной стороны легко детектируются, с другой — очень чувствительны к мельчайшим воздействиям, что делает их хорошими механическими сенсорами, поэтому ученые уделяют этому вопросу большое внимание.

Юйле У (Yulie Wu) из Оборонного научно-технического университета Народно-освободительной армии Китая с коллегами решили изучить центробежное движение микрочастицы, пойманной во вращающийся оптический пинцет. Для этого они разместили все элементы оптической схемы на вращающемся столе. Ось вращения была параллельна оси пинцета, но отстояла от нее на некотором расстоянии.

Схематическое изображение частицы, испытывающей центробежное смещение во вращающемся оптическом пинцете. Вид сверху (a) и сбоку (b). / K. Zeng et al / Optics Letters, 2021

Для создания ловушки физики использовали лазер с длиной волны 1064 нанометра и мощностью 500 милливатт, свет от которого был сфокусирован в пятно диаметром около четырех миллиметров при комнатной температуре и давлении. После фокусировки излучение передавалось на балансный детектор, который измерял смещение частицы. Дополнительно ловушка облучалась светом лампы для получения изображения с помощью камеры.

Авторы записали и решили уравнения движения частицы в таких условиях и выяснили, что смещение должно зависеть линейно от массы, расстояния между осями и обратной жесткости ловушки, но квадратично от угловой скорости. Измерив смещение для различных скоростей и направлений вращения для кремниевой сферической частицы диаметров 22 микрона и межосного расстояния, равного 20 миллиметрам, физики убедились в этом, однако извлеченная из аппроксимации жесткость оптической ловушки оказалась несколько завышенной по сравнению с этой же величиной, но полученной из измерения поперечных осцилляций.

Исследователи предположили, что ошибка исходит из неточного измерения расстояния между осями. Проведя аналогичные эксперименты с разными значениями этого расстояния, физики увидели, что зависимость от него действительно оказалась нелинейна. Проведя корректировку, авторы убедились, что вычисленная из данных о вращении масса частицы не зависит от частоты в пределах погрешностей и совпадает с величиной, измеренной другим методом.

Также ученые изучили то, как изменяется вращение левитирующей микрочастицы в условиях центрифугирования. Для этого они помещали в пинцет эллиптическую микрочастицу и облучали ее лазером с круговой поляризации. В отсутствие вращения стола частица вращалась с частотой 1,3 герца. Добавление вращения стола уменьшало эту частоту по параболическому закону. Авторы объяснили это центробежным смещением частицы в область с более низкой интенсивностью света, и, как следствие, с меньшим моментом силы. Они предполагают, что это может найти применение в сенсорах вращения и гироскопах.