Atomes, des molécules ou même des cellules vivantes peuvent être manipulées avec des faisceaux lumineux. À la TU Wien, une méthode a été développée pour révolutionner de telles "pinces optiques".

Ils rappellent le "poutre tracteur" dans Star Trek :Des faisceaux lumineux spéciaux peuvent être utilisés pour manipuler des molécules ou de petites particules biologiques. Même les virus ou les cellules peuvent être capturés ou déplacés. Cependant, ces pincettes optiques ne fonctionnent qu'avec des objets dans un espace vide ou dans des liquides transparents. Tout environnement dérangeant dévierait les ondes lumineuses et détruirait l'effet. C'est un problème, en particulier avec des échantillons biologiques car ils sont généralement noyés dans un environnement très complexe.

Mais les scientifiques de TU Wien (Vienne) ont maintenant montré comment la vertu peut être faite de nécessité :une méthode de calcul spéciale a été développée pour déterminer la forme d'onde parfaite pour manipuler de petites particules en présence d'un environnement désordonné. Cela permet de tenir, déplacer ou faire pivoter des particules individuelles à l'intérieur d'un échantillon, même si elles ne peuvent pas être touchées directement. Le faisceau lumineux sur mesure devient une télécommande universelle pour tout ce qui est petit. Des expériences en micro-ondes ont déjà démontré que la méthode fonctionne. La nouvelle technologie de pince à épiler optique a maintenant été présentée dans la revue Photonique de la nature .

Pince à épiler optique dans des environnements désordonnés

"Utiliser des faisceaux laser pour manipuler la matière n'a plus rien d'inhabituel, " explique le professeur Stefan Rotter de l'Institut de physique théorique de la TU Wien. En 1997, le prix Nobel de physique a été décerné aux faisceaux laser qui refroidissent les atomes en les ralentissant. En 2018, un autre prix Nobel de physique a reconnu le développement de pinces optiques.

Mais les ondes lumineuses sont sensibles :dans un désordre, environnement irrégulier, ils peuvent être déviés de manière très compliquée et dispersés dans toutes les directions. Un simple, l'onde lumineuse plane devient alors un complexe, motif de vague désordonné. Cela change complètement la façon dont la lumière interagit avec une particule spécifique.

"Toutefois, cet effet de diffusion peut être compensé, " dit Michael Horodynski, premier auteur de l'article. « Nous pouvons calculer comment la vague doit être formée initialement pour que les irrégularités de l'environnement désordonné la transforment exactement dans la forme que nous voulons qu'elle soit. Dans ce cas, l'onde lumineuse semble plutôt désordonnée et chaotique au début, mais l'environnement désordonné en fait quelque chose d'ordonné. D'innombrables petites perturbations, ce qui rendrait normalement l'expérience impossible, sont utilisés pour générer exactement la forme d'onde souhaitée, qui agit alors sur une particule spécifique.

Calcul de la vague optimale

Pour y parvenir, la particule et son environnement désordonné sont d'abord éclairés par différentes ondes et la manière dont les ondes sont réfléchies est mesurée. Cette mesure est effectuée deux fois en succession rapide. "Supposons que dans le court laps de temps entre les deux mesures, l'environnement désordonné reste le même, tandis que la particule que nous voulons manipuler change légèrement, " dit Stefan Rotter. " Pensons à une cellule qui bouge, ou s'enfonce simplement un peu vers le bas. Ensuite, l'onde lumineuse que nous envoyons est réfléchie un peu différemment dans les deux mesures." Cette petite différence est cruciale :avec la nouvelle méthode de calcul développée à la TU Wien, il est possible de calculer l'onde qui doit être utilisée pour amplifier ou atténuer ce mouvement de particules.

"Si la particule descend lentement vers le bas, on peut calculer une onde qui empêche ce naufrage ou permet à la particule de couler encore plus vite, " dit Stefan Rotter. " Si la particule tourne un peu, nous savons quelle onde transmet le moment angulaire maximal - nous pouvons alors faire tourner la particule avec une onde lumineuse de forme spéciale sans jamais la toucher."

Expériences réussies avec les micro-ondes

Kevin Pichler, fait également partie de l'équipe de recherche de la TU Wien, a pu mettre en pratique la méthode de calcul dans le laboratoire des partenaires du projet à l'Université de Nice (France) :il a utilisé des objets en téflon disposés aléatoirement, qu'il a irradié avec des micro-ondes - et de cette façon il a réussi à générer exactement ces formes d'onde qui, en raison du désordre du système, produit l'effet désiré.

"L'expérience des micro-ondes montre que notre méthode fonctionne, " rapporte Stefan Rotter. " Mais le véritable objectif est de l'appliquer non pas avec des micro-ondes mais avec de la lumière visible. Cela pourrait ouvrir des champs d'applications complètement nouveaux pour les pincettes optiques et, surtout dans la recherche biologique, permettrait de contrôler les petites particules d'une manière qui était auparavant considérée comme totalement impossible."