a Illustration du tri des particules chirales avec les gauchers et les droitiers par la force latérale optique à une interface air-eau. b Image microscopique des microparticules chirales. La barre d'échelle est égale à 5 µm. c Image SEM de microparticules chirales polymères sèches. La barre d'échelle est égale à 1 µm. d Images MET de fines tranches de microparticules de différentes tailles et différentes configurations de spirale. Les barres d'échelle sont égales à 1 µm. Champ électrique et vecteur de Poynting 2D dans le plan y-z pour de 10° (e) et 45° (f). Les chaînes vectorielles de Poynting ont un biais vers la gauche (e) et la droite (f), résultant respectivement des forces latérales optiques positives (e) et négatives (f) Crédit :par Cheng-Wei Qiu
La lumière porteuse d'impulsion photonique peut pousser et tirer des microparticules par échange d'impulsion. Ce processus d'échange de quantité de mouvement génère des forces optiques, qui soit attire (pince optique classique), pousse (force de rayonnement) ou tire (force de traction) les microparticules. Un nouvel intérêt de recherche émergent, force latérale optique qui représente la force optique perpendiculaire à la direction de propagation d'un faisceau sans gradient, a beaucoup attiré l'attention. La force latérale peut être générée à l'aide de particules achirales par la conversion du spin et du moment orbital d'un faisceau polarisé circulairement. Il est également prédit qu'une nanoparticule chirale placée au-dessus d'une surface peut générer la force latérale en utilisant une excitation d'onde plane. Cependant, il y a peu de démonstrations de la force latérale dépendante de la chiralité, et les particules utilisées dans la prédiction théorique sont de 100 nm, ce qui a des applications limitées. Outre, la théorie de la force latérale optique sur les particules plus grosses (taille ~ longueur d'onde) fait défaut.
Dans un nouvel article publié dans Science de la lumière et applications , les scientifiques ont conçu une expérience pour démontrer la force latérale optique dépendante de la chiralité. Ils synthétisent des microparticules à forte chiralité et les flottent à l'interface de l'air et de l'eau. Après éclairage avec un faisceau polarisé linéairement incident oblique, les microparticules chirales avec une main différente (gauche et droite) se déplaceront dans des directions opposées. De façon intéressante, ils trouvent en théorie que la force latérale optique pourrait inverser les signes avec une polarisation de la lumière et un angle d'incidence différents, valeur de chiralité et taille des particules. Ils ont également développé des modèles intrigants dans la perspective du transfert de quantité de mouvement pour élaborer cette force latérale optique. La méthode et la technique rapportées ouvriront de nouvelles voies pour la détection et le tri directs futurs de microparticules avec des différences chimiques imperceptibles et inspireront l'exploration de phénomènes optiques avec des interactions lumière-matière.
Le montage expérimental est simple, ne nécessitant qu'un faisceau laser à polarisation s ou p et le focalisant en une forme elliptique à l'aide de deux lentilles cylindriques. Les microparticules chirales flottent à l'interface de l'air et de l'eau dans un micropuits fabriqué par lithographie douce. Cette configuration offre de nombreuses possibilités pour sonder une physique optique intrigante, telles que les interactions spin-orbitales, détection de la chiralité, etc.
une, b Les particules chirales avec la main droite (κ> 0) (a) et la main gauche (κ <0) (b) subissent des forces latérales vers la gauche (R1, R2 et R3) et à droite (L1 et L2), respectivement. Particules à faible chiralité (marquées F1, F2 et F3) pourraient être affectés par le flux de fond et se déplacer avec presque les mêmes vitesses. Différentes particules ont des vitesses différentes en raison des différentes tailles et des chiralités légèrement différentes. La puissance laser utilisée était de 1,4 W. Les barres d'échelle en a et b sont égales à 100 µm. c Vitesses mesurées de particules avec différentes chiralités sous différentes puissances laser. d Force latérale optique maximale mesurée dans chaque séquence vidéo avec une taille de particule et une polarisation de la lumière variables. Les forces latérales ont des signes opposés sous des faisceaux de polarisation s et p lorsque la chiralité est la même. Crédit :par Cheng-Wei Qiu
Ces scientifiques résument leurs travaux comme suit :
"Nous avons conçu la première expérience de force latérale optique assistée par chiralité sur les particules chirales de Mie (taille ~ longueur d'onde) pour la séparation énantiosélective. Des études récentes sur la séparation énantiosélective et les particules chirales se concentrent sur les très grosses particules (région d'optique géométrique, taille> longueur d'onde) en raison de la limite de la procédure de synthèse des particules et des théories existantes. Nous avons démontré, pour la première fois, tri bidirectionnel robuste des particules chirales de Mie, et le premier exemple de forces latérales optiques réversibles, que nous pensons être un complément essentiel à la communauté de l'optique ainsi que des manipulations optiques. Notre théorie étudie la dépendance des forces latérales optiques réversibles avec la taille des particules, Angle d'incidence, et polarisation de la lumière. Par rapport à la force latérale optique sans inversion précédente, Les particules chirales de Mie sont assez uniques et non triviales, et ils ont des propriétés intrigantes. Aussi, nous élaborons sur la force latérale optique du point de vue du transfert de quantité de mouvement, ce qui est un moyen simple de manifester la force latérale optique."
"Notre méthode est perspicace et utile pour la démonstration de forces extraordinaires car elle exclut les forces de gradient optique dans les pincettes optiques conventionnelles. Elle aide à compléter le domaine des forces latérales optiques à la fois en théorie et en expérience. La technique présentée peut être utilisée pour le sans contact surveillance de la latéralité des particules chirales qui existent largement dans l'industrie pharmaceutique et des biomatériaux sans tests avec des méthodes chimiques ou biologiques, " ont ajouté le Dr Yuzhi Shi et le professeur Cheng-Wei Qiu.
