Les «moteurs» minuscules sont guidés par la lumière

CAMBRIDGE, Mass. – La science-fiction est pleine de dispositifs fantaisistes qui permettent à la lumière d'interagir avec force avec la matière, des sabres légers aux fusées de photons. Ces dernières années, la science a commencé à rattraper son retard; Certains résultats suggèrent des interactions intéressantes du monde réel entre la lumière et la matière aux échelles atomiques, et les chercheurs ont produit des dispositifs tels que des faisceaux de tracteurs optiques, des pinces et des faisceaux de vortex.

Maintenant, une équipe au MIT et ailleurs a traversé une autre frontière dans la quête de ces engins exotiques, en créant en simulation le premier système dans lequel les particules – allant de grossièrement molécules à la taille des bactéries – peuvent être manipulées Par un faisceau de lumière ordinaire plutôt que par les sources de lumière spécialisées coûteuses requises par d'autres systèmes. Les résultats sont rapportés aujourd'hui dans la revue Science Advances par les postdocs du MIT Ognjen Ilic PhD '15, Ido Kaminer et Bo Zhen; Professeur de physique Marin Soljacic; Et deux autres.

La plupart des recherches qui tentent de manipuler la matière avec la lumière, que ce soit en supprimant des atomes individuels ou de petites particules, en les attirant ou en les faisant tourner, implique l'utilisation de faisceaux laser sophistiqués ou d'autres équipements spécialisés qui limitent sévèrement les types d'utilisations de Ces systèmes peuvent être appliqués. "Notre approche est de déterminer si nous pouvons obtenir tous ces effets mécaniques intéressants, mais avec une lumière très simple", déclare Ilic.

L'équipe a décidé de travailler sur l'ingénierie des particules elles-mêmes, plutôt que des faisceaux lumineux, pour les faire réagir à la lumière ordinaire de manière particulière. En tant que test initial, les chercheurs ont créé des particules asymétriques simulées, appelées particules Janus (à double face), à ​​seulement un micromètre de diamètre – un centième de la largeur des cheveux humains. Ces petites sphères étaient composées d'un noyau de silice recouvert sur un côté avec une fine couche d'or.

Lorsqu'il est exposé à un faisceau de lumière, la configuration à deux côtés de ces particules provoque une interaction qui déplace leurs axes de symétrie par rapport à l'orientation du faisceau, ont révélé les chercheurs. Dans le même temps, cette interaction crée des forces qui mettent les particules à tourner uniformément. Les particules multiples peuvent tous être affectées à la fois par le même faisceau. Et le taux de rotation peut être changé en changeant simplement la couleur de la lumière.

Le même type de système, disent les chercheurs, pourrait être appliqué à la production de différents types de manipulations, comme le déplacement des positions des particules. En fin de compte, ce nouveau principe pourrait être appliqué pour déplacer des particules à l'intérieur d'un corps, en utilisant la lumière pour contrôler leur position et leur activité, pour de nouveaux traitements médicaux. Il pourrait également trouver des utilisations dans les nanomachines à base optique.

À propos du nombre croissant d'approches pour contrôler les interactions entre les objets légers et matériels, Kaminer dit: «Je pense à cela comme un nouvel outil dans l'arsenal et très important».

Ilic affirme que l'étude «permet une dynamique qui ne peut être atteinte par l'approche conventionnelle de façonner le faisceau de lumière» et pourrait permettre une large gamme d'applications difficiles à prévoir à ce stade. Par exemple, dans de nombreuses applications potentielles, telles que les utilisations biologiques, les nanoparticules peuvent se déplacer dans un environnement incroyablement complexe et changeant qui fausserait et disperserait les faisceaux nécessaires pour d'autres types de manipulation de particules. Mais ces conditions n'importeraient pas les faisceaux de lumière simples nécessaires pour activer les particules asymétriques de l'équipe.

"Parce que notre approche ne nécessite pas la mise en forme du champ lumineux, un seul faisceau de lumière peut actionner simultanément un grand nombre de particules", déclare Ilic. "Atteindre ce type de comportement serait d'un intérêt considérable pour la communauté des scientifiques qui étudient la manipulation optique des nanoparticules et des machines moléculaires". Kaminer ajoute: «Il y a un avantage à contrôler un grand nombre de particules à la fois. C'est une opportunité unique que nous avons ici.»

Soljacic dit que ce travail s'inscrit dans le domaine de la physique topologique, un domaine en plein essor de la recherche qui a également conduit au Prix Nobel de physique de l'année dernière. La plupart de ces travaux, cependant, a été axé sur des conditions assez spécialisées qui peuvent exister dans certains matériaux exotiques appelés médias périodiques. "En revanche, notre travail étudie les phénomènes topologiques dans les particules", dit-il.

Et ce n'est que le début, suggère l'équipe. Cette série initiale de simulations a seulement abordé les effets avec une particule à deux faces très simple. «Je pense que c'est la chose la plus excitante pour nous», dit Kaminer, «il y a un énorme champ d'opportunité ici. Avec une telle particule simple montrant une dynamique aussi complexe», dit-il, il est difficile d'imaginer ce qui sera possible avec un énorme Gamme de particules et formes et structures que nous pouvons explorer. "

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L'équipe comprenait également Owen Miller à l'Université de Yale et Hrvoje Buljan à l'Université de Zagreb, en Croatie. Le travail a été soutenu par le Bureau de recherche de l'armée américaine par le biais de l'Institut des nanotechnologies militaires, de la National Science Foundation et du European Research Council.

CONTEXTE ADDITIONNEL:

ARCHIVE: L'étude ouvre de nouveaux domaines d'interaction lumière-matière

http: // news. mit. edu / 2016 / détecteurs d'émission de lumière interdite-0714 ]

ARCHIVE: Les chercheurs découvrent un nouveau moyen de transformer l'électricité en lumière, en utilisant du graphène

http: // news. mit. edu / 2016 / new-way-turn-electric-light-using-graphene-0613

                

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