Est-il possible d'amener des nanoparticules en orbite en dessous de la limite de diffraction de la lumière à l'aide d'un faisceau gaussien ? Un récent projet de recherche conjoint rapporté dans Communication Nature dit oui.

Il est bien connu que la lumière possède non seulement de l'énergie mais aussi de la quantité de mouvement. Lorsque la lumière irradie un objet, la quantité de mouvement est transférée à l'objet, générant ainsi une légère pression sur l'objet. A l'échelle microscopique, les microparticules et les nanoparticules (telles que les biocellules et les macromolécules) peuvent être manipulées par la force lumineuse. Les atomes peuvent être refroidis par une légère pression pour réaliser des horloges atomiques, condensation de Bose-Einstein, etc.

En plus du moment linéaire de la lumière étant transférable, le moment angulaire de la lumière peut également être transféré à un objet, provoquant ainsi la rotation de l'objet. Étant donné que la conversion de la quantité de mouvement est généralement dérivée de l'interaction linéaire entre la lumière et les objets, la vitesse de rotation orbitale et le rayon orbital ont jusqu'à présent été limités à 100 Hz au maximum dans l'eau et à un micromètre au moins, respectivement.

Récemment, cependant, une équipe dirigée par le professeur Jiang Yuqiang de l'Institut de génétique et de biologie du développement de l'Académie chinoise des sciences, en collaboration avec le professeur Qiu Chengwei de l'Université nationale de Singapour, Le professeur Yang Yuanjie de l'Université des sciences et technologies électroniques de Chine, et le professeur Xiao Liantuan de l'Université du Shanxi, a dépassé ces limites.

Basé sur l'effet optique non linéaire, les chercheurs ont atteint une vitesse de rotation orbitale ultra-rapide pour les nanoparticules à l'échelle de la sous-diffraction.

Les chercheurs ont piégé des nanoparticules d'or à l'aide d'un faisceau laser femtoseconde NIR à polarisation circulaire avec un mode gaussien. Dans le régime d'interaction linéaire, les particules piégées ne tournent qu'au centre du faisceau. Dans le régime non linéaire, cependant, un puits de potentiel annulaire peut être formé par l'effet du 'piège fendu, ' et la force optique tangentielle renforcée par la polarisation non linéaire entre le laser femtoseconde et les nanoparticules d'or amène les particules à orbiter à une vitesse ultra-rapide dans le puits du piège annulaire.

Par conséquent, le moment angulaire de spin de la lumière est converti en moment angulaire orbital de particules avec une très grande efficacité.

Dans ce travail, le rayon de rotation minimum était d'environ 70 nm, qui est bien en dessous de la limite de diffraction. La vitesse de rotation orbitale la plus élevée a dépassé 1000r/s, une commande plus rapide que les vitesses précédemment signalées.

L'étude révèle un nouveau mécanisme de conversion du moment angulaire de spin en moment angulaire orbital, et fournit une nouvelle méthode de manipulation de la lumière.

Étant donné que le rayon orbital et la vitesse de rotation orbitale peuvent être contrôlés en ajustant la puissance du laser femtoseconde, le NA de l'objectif, et le matériau des nanoparticules, il peut être largement appliqué dans divers domaines, telles que les micromachines optiques, nanorhéologie, microfabrication laser, etc.