La science-fiction regorge de dispositifs fantaisistes qui permettent à la lumière d'interagir avec force avec la matière, des sabres laser aux fusées à photons. Dans les années récentes, la science a commencé à rattraper son retard; certains résultats suggèrent des interactions intéressantes dans le monde réel entre la lumière et la matière à l'échelle atomique, et les chercheurs ont produit des dispositifs tels que des faisceaux tracteurs optiques, pince à épiler, et des faisceaux vortex.

Maintenant, une équipe au MIT et ailleurs a repoussé une autre frontière dans la quête de ces engins exotiques, en créant dans les simulations le premier système dans lequel les particules, allant de la taille d'une molécule à une bactérie, peuvent être manipulées par un faisceau de lumière ordinaire plutôt que par les sources lumineuses spécialisées coûteuses requises par d'autres systèmes. Les résultats sont rapportés aujourd'hui dans le journal Avancées scientifiques , par les post-doctorants du MIT Ognjen Ilic PhD '15, Ido Kaminer, et Bo Zhen; professeur de physique Marin Soljacic; et deux autres.

La plupart des recherches qui tentent de manipuler la matière avec la lumière, que ce soit en repoussant des atomes individuels ou de petites particules, les attirer, ou les faire tourner, implique l'utilisation de faisceaux laser sophistiqués ou d'autres équipements spécialisés qui limitent considérablement les types d'utilisation de tels systèmes pouvant être appliqués. "Notre approche est de voir si nous pouvons obtenir tous ces effets mécaniques intéressants, mais avec une lumière très simple, " dit Ilic.

L'équipe a décidé de travailler sur l'ingénierie des particules elles-mêmes, plutôt que les faisceaux lumineux, pour les amener à réagir à la lumière ordinaire de manière particulière. Comme test initial, les chercheurs ont créé des particules asymétriques simulées, appelées particules Janus (à deux faces), juste un micromètre de diamètre, un centième de la largeur d'un cheveu humain. Ces minuscules sphères étaient composées d'un noyau de silice recouvert sur le côté d'une fine couche d'or.

Lorsqu'il est exposé à un faisceau de lumière, la configuration biface de ces particules provoque une interaction qui décale leurs axes de symétrie par rapport à l'orientation du faisceau, les chercheurs ont trouvé. À la fois, cette interaction crée des forces qui font tourner les particules de manière uniforme. Plusieurs particules peuvent toutes être affectées à la fois par le même faisceau. Et la vitesse de rotation peut être modifiée en changeant simplement la couleur de la lumière.

Le même genre de système, les chercheurs, dire, pourrait être appliqué à la production de différents types de manipulations, comme déplacer les positions des particules. Finalement, ce nouveau principe pourrait être appliqué au déplacement de particules à l'intérieur d'un corps, utiliser la lumière pour contrôler leur position et leur activité, pour de nouveaux traitements médicaux. Il pourrait également trouver des utilisations dans les nanomachines à base optique.

Sur le nombre croissant d'approches pour contrôler les interactions entre les objets légers et matériels, Kaminer dit, "Je pense à cela comme un nouvel outil dans l'arsenal, et très important."

Ilic dit que l'étude "permet une dynamique qui peut ne pas être atteinte par l'approche conventionnelle de mise en forme du faisceau de lumière, " et pourrait permettre un large éventail d'applications difficilement prévisibles à ce stade. Par exemple, dans de nombreuses applications potentielles, comme les utilisations biologiques, les nanoparticules peuvent se déplacer dans un environnement incroyablement complexe, environnement changeant qui déformerait et disperserait les faisceaux nécessaires à d'autres types de manipulation de particules. Mais ces conditions n'auraient aucune importance pour les simples faisceaux lumineux nécessaires pour activer les particules asymétriques de l'équipe.

"Parce que notre approche ne nécessite pas de mise en forme du champ lumineux, un seul faisceau lumineux peut actionner simultanément un grand nombre de particules, " Ilic dit. " Atteindre ce type de comportement serait d'un intérêt considérable pour la communauté des scientifiques qui étudient la manipulation optique des nanoparticules et des machines moléculaires. " ajoute Kaminer, "Il y a un avantage à contrôler un grand nombre de particules à la fois. C'est une opportunité unique que nous avons ici."

Soljacic dit que ce travail s'inscrit dans le domaine de la physique topologique, un domaine de recherche en plein essor qui a également conduit au prix Nobel de physique l'an dernier. La plupart de ces travaux, bien que, s'est concentré sur les conditions assez spécialisées qui peuvent exister dans certains matériaux exotiques appelés milieux périodiques. "En revanche, nos travaux étudient les phénomènes topologiques dans les particules, " il dit.

Et ce n'est que le début, suggère l'équipe. Cet ensemble initial de simulations n'a abordé les effets qu'avec une particule à deux faces très simple. "Je pense que la chose la plus excitante pour nous, " Kaminer dit, "Est-ce qu'il y a un énorme champ d'opportunités ici. Avec une particule si simple montrant une dynamique si complexe, " il dit, il est difficile d'imaginer ce qui sera possible "avec une énorme gamme de particules, de formes et de structures que nous pouvons explorer".