Свет заставили толкать частицу вперед и назад одновременно

Свет заставили толкать частицу вперед и назад одновременно

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. 

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.

Тарас Молотилин

N+1

Похожие новости:
Ученые Китая открыли тяжелую частицу
В Китае работающая на электрон-позитронном коллайдере группа физиков открыла новую тяжелую частицу, которая, вероятно, состоит из очарованных кварков, однако ее свойства не укладываются в существующие представления о таких частицах. Эксперимент BESIII, который проводит группа физиков из Китая, Украины, ..
2013-03-29 2219 0 Научные открытия
0
Ученые обнаружили ранее неизвестную науке частицу
Ученые Европейской организации по ядерным исследованиям сделали новое громкое открытие. Специалисты, которые работают с Большим адронным коллайдером, обнаружили на его детекторе ранее неизвестную науке частицу. Назвали ее весьма поэтично — "возбужденный прелестный кси-барион", передает телеканал ..
2012-05-2 2614 0 Научные открытия
0
ЦЕРН: открыта новая элементарная частица
Ученые Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН), работающие на Большом адронном коллайдере, открыли новую элементарную частицу, сообщает ИТАР-ТАСС со ссылкой на Би-би-си. Это первая элементарная частица, открытая на коллайдере с начала его работы в 2009 году. Новая частица получила ..
2011-12-25 7423 0 Научные открытия
0
Искать связанные с бозоном Хиггса частицы предложили всем желающим
Американские ученые запустили проект «Охотники на Хиггса» (Higgs Hunters), в рамках которого любой желающий может рассматривать изображения, записанные на Большом адроном коллайдере (БАК), и находить ранее неизвестные элементарные частицы. О проекте сообщается в пресс-релизе Нью-Йоркского университета. «Теперь, ..
2014-11-30 2039 0 Научные открытия
-1
Ученые запустили проект "Охотники на Хиггса"
Американские ученые запустили проект «Охотники на Хиггса» (Higgs Hunters), в рамках которого любой желающий может рассматривать изображения, записанные на Большом адроном коллайдере (БАК), и находить ранее неизвестные элементарные частицы. О проекте сообщается в пресс-релизе Нью-Йоркского университета. «Теперь, ..
2014-11-30 2221 0 Научные открытия
-1
Ученые определили, когда живые организмы начали видеть
Ученые из Великобритании и Ирландии заявили, что организмы научились различать свет раньше, чем считалось ранее. К таким выводам ученых привел анализ генов, отвечающих за производство светочувствительных белков опсинов, и компьютерное моделирование их развития у живых существ.Ранее среди ученых не было ..
2012-11-1 2300 0 Научные открытия
0
Открытие поможет сделать солнечную энергию доступнее
Исследователи из Университета Альберты (The U of A) обнаружили, что самые распространенные материалы в земной коре могут быть использованы для создания солнечных батарей - недорогих и легко изготовляемых на основе наночастиц. Открытие от «The U of A» является важным шагом вперед в создании солнечной энергии ..
2013-09-6 1968 0 Научные открытия
0
Эдуард Боос о "частице Бога"
Ученые, работающие на Большом адронном коллайдере, объявили об открытии частицы, похожей на бозон Хиггса. Эта субатомарная частица, согласно стандартной модели физики, ответственна за массу всей Вселенной. Как повлияет на мир открытие "частицы Бога"? Об этом в эфире "России 24" рассказал заведующий ..
2012-07-5 2642 0 Научные открытия
0
Открытие бозона Хиггса: вероятность ошибки ученых - 0,01 процента
Ученые-физики обнаружили новую частицу, которая по своим параметрам напоминает бозон Хиггса. Об открытии заявили на научном семинаре в Женеве. Впрочем, говорить о том, что это именно "частица Бога", специалисты пока не спешат. Утверждают, что это все-таки предварительные данные. Чтобы сказать ..
2012-07-4 2382 0 Научные открытия
1
Физики из CERN обнаружили новую частицу
Физики в CERN - организации, оперирующей Большим адронным коллайдером, - обнаружили новую частицу. Об этом со ссылкой на собственные источники сообщает Nature News. Открытие той или иной элементарной частицы - результат статистического анализа огромного количества данных. Вместе с тем вероятность ошибки пока ..
2012-07-3 2297 0 Научные открытия
0
Бозон Хиггса проявился во «втором сезоне» Большого адронного коллайдера
ATLAS и CMS — две из четырех крупнейших коллабораций Большого адронного коллайдера — рассказали о результатах поисков бозона Хиггса в данных протон-протонных столкновений на энергии 13 тераэлектронвольт. Как сообщили представители экспериментов, оба детектора «видят» распады бозона на два фотона и на четыре лептона. Именно эти данные помогли ..
2016-08-07 2242 0 Научные открытия
1
На ДНК рассмотрели прыгающие супервитки
Ученые показали, что супервитки на ДНК могут не только линейно двигаться, но и "прыгать" с места на место по всей длине молекулы. Работа опубликована в журналеScience, ее краткое содержание приведено на сайте Делфтского технического университета. Супервитками называются скручивания двуцепочечной нуклеиновой кислоты вокруг самой себя. Если ..
2012-09-14 1540 0 Научные открытия
0
В США увидели «твердый» свет
Ученые из США и Швейцарии сумели продемонстрировать корпускулярные свойства света. «Твердый» свет, наблюдаемый специалистами в лаборатории в США, открывает большие возможности для исследований в области квантовой оптики и физической кинетики. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Physical Reviev ..
2014-09-10 2913 0 Научные открытия
0
В ЦЕРН открыта новая частица
Физики из Цюрихского университета обнаружили с помощью Большого адронного коллайдера (БАК) ранее неизвестную частицу, состоящую из трех кварков. Ими был обнаружен новый барион, известный как Xi_b^*. Это открытие подтверждает фундаментальные физические допущения относительно взаимодействия барионов. В физике частиц, ..
2012-05-2 2390 1 Научные открытия
0
Физики впервые скрутили свет в ленту Мебиуса
Физикам из Германии, Канады, Италии и США впервые удалось скрутить свет в ленту Мебиуса. Результаты своих исследований ученые изложили в статье в журнале Science, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте New Scientist. Закрутить оптическую волну авторам удалось при помощи особой ..
2015-01-31 2805 0 Научные открытия
0