Wissenschaftler entdecken verborgene Eigenschaft des Lichts, die Materie verdreht

Er entwickelte optische Pinzetten, die stark fokussierte Laserstrahlen nutzen, um extrem kleine Partikel einzufangen und zu bewegen. Obwohl Forscher seit langem wissen, dass Licht winzige Kräfte ausüben kann, war deren Messung eine große Herausforderung. Auf der Nanoskala werden Objekte ständig durch thermische Bewegung beeinflusst, was die Detektion dieser schwachen Kräfte erschwert.

Eine neue Art, winzige Kräfte zu messen Wissenschaftler der Hokkaido University haben nun eine Methode vorgestellt, mit der diese Kräfte mit hoher Präzision gemessen werden können.

Mit diesem Ansatz entdeckten sie einen unerwarteten Effekt: Licht kann winzige Objekte seitlich rotieren lassen, senkrecht zur Laufrichtung des Lichts. „Wir haben eine neuartige Messplattform namens ‚Micro-Drone‘ entwickelt, die erstmals eine vollständige dreidimensionale Charakterisierung der auf Nanostrukturen wirkenden optischen Kräfte und Drehmomente ermöglicht“, erklärt Professor Yoshito Y.

Tanaka Setup platziert eine Nanostruktur

Tanaka Setup platziert eine Nanostruktur in das Zentrum eines kleinen, kreuzförmigen Geräts, das als Micro-Drone bekannt ist. Vier Laserstrahlen stabilisieren die Plattform, ähnlich wie optische Pinzetten ihre Kanten greifen. Durch die Verfolgung der Verschiebung und Rotation der Plattform können die Forscher die auf das Objekt im Inneren wirkenden Kräfte bestimmen.

Überwindung der Grenzen optischer Pinzetten „Optische Pinzetten sind seit der Pionierarbeit, der 2018 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde, ein leistungsstarkes Werkzeug“, so Tanaka. Mit diesen Methoden konnten konventionelle Verfahren lediglich die Rotation eines Objekts um eine einzige Achse messen.

Unser Ansatz überwindet diese Einschränkung, indem er nicht die Nanostruktur selbst, sondern die Plattform misst, auf der sich die Nanostruktur befindet. Diese Technik erfasst Bewegung und Rotation in allen Richtungen und liefert so eine vollständige dreidimensionale Ansicht. Sie verstärkt nanoskalige Kräfte effektiv, indem sie diese in größere, besser messbare Bewegungen der Plattform umwandelt.

Um die Methode zu testen, verwendeten

Um die Methode zu testen, verwendeten die Forscher winzige Goldstrukturen in Form eines „V“. Bei Bestrahlung mit Licht im Mikro-Drohne zeigten diese Strukturen ein Verhalten, das als transversaler optischer Drehmoment bekannt ist.

Anstatt sich entlang des Lichtpfades zu drehen, drehten sie sich seitlich. „Mit der neuen Methode konnten wir ein Phänomen beobachten, das bisher experimentell nicht nachgewiesen wurde: ein transversaler optischer Drehmoment, der auf der Nanoskala wirkt“, erklärt Tanaka. Überdenken, wie Licht mit Materie interagiert. Der Ursprung dieses Effekts war unerwartet.

Frühere Theorien gingen davon aus, dass eine solche Bewegung vom Drehimpuls des Lichts abhängen würde. Das Team fand jedoch heraus, dass eine andere Eigenschaft, die optische Helizität, verantwortlich ist. Diese Eigenschaft beschreibt die „Chiralität“ oder die Verdrehung des elektromagnetischen Feldes des Lichts.

Die Forscher bestätigten dies, indem sie

Die Forscher bestätigten dies, indem sie Experimente konzipierten, bei denen der Drehimpuls entfernt, aber die Helizität erhalten blieb. Die seitliche Rotation trat weiterhin auf, was zeigt, dass die Helizität die Schlüsselrolle spielt. Dieses Ergebnis bietet ein tieferes Verständnis dafür, wie Licht mit Materie auf extrem kleinen Skalen interagiert.

Es weist auch auf neue Möglichkeiten zur Steuerung, mit möglichen Anwendungen in lichtgetriebenen Nanomaschinen und fortschrittlichen Sensoriktechnologien. „Diese Arbeit stellt ein neues Messparadigma für die nanoskalige Optomechanik dar“, sagt Tanaka.

So wie optische Pinzetten ein neues Feld in der Biophysik einzelner Moleküle eröffneten, hoffen wir, dass diese Plattform Zugang zu nanoskaligen mechanischen Phänomenen ermöglichen wird, die bisher unerreichbar waren.