Совершенствование оптического пинцета для управления наночастицами
Метод оптического пинцета – захват частиц с помощью поля световой волны – в настоящее время широко применяется для управления самыми различными нанообъектами, от магнитных частиц до биологических клеток. Однако при использовании методики оптического пинцета возникают проблемы с адгезией, прилипанием наночастиц к поверхности материала. Чтобы решить эту проблему, используют поверхностно-активные вещества, но это не всегда удобно для технологических процессов. Для некоторых металлических частиц существует устойчивое положение равновесия в поле оптической волны на контролируемом расстоянии от поверхности, однако для диэлектрических наночастиц проблема контроля расстояния от поверхности и борьбы с адгезией до сих пор не решена.
В недавней работе, опубликованной в журнале “Письма в ЖЭТФ” [1] российские учёные предложили использовать два источника света с различающимися длинами волн. Оптическое поле, удерживающее частицу, создается за счет поверхностной электромагнитной волны, распространяющейся в волноводе, который расположен на поверхности одномерного фотонного кристалла (рис 1а). Две оптические моды имеют различную длину затухания, и за счет этого может создаваться эффективный потенциал, стабилизирующий частицу (рис.1б).
Рис. 1. а – Исследуемая система: фотонный кристалл, волновод, наночастица (диаметр частицы 130 нм, толщины слоев оксида кремния – 220 нм, оксида тантала – 155 нм, толщина волновода – 200 нм; система освещается двумя лазерами с длинами волн 532 и 638 нм, схематически изображена разная длина затухания);
б – зависимость потенциальной энергии наночастицы в поле оптической волны от расстояния до поверхности при различных соотношениях мощностей источников (суммарная мощность фиксирована и равна 100 мВт).
Его форма чем-то напоминает потенциал Леннарда-Джонса, что не случайно, поскольку равновесие частицы также основано на балансе сил притяжения и отталкивания, создаваемых красным и зеленым излучениями.
Действительно, магнитодипольный резонанс частицы соответствует частоте, лежащей между частотами двух лазеров, в результате для света длиной волны 532 нм (частота выше резонансной) имеет место отталкивание частицы от поверхности, а для красного света 638 нм – притяжение к поверхности. Зеленая компонента света концентрируется ближе к поверхности волновода, поэтому при приближении к нему будет преобладать отталкивание. При удалении частицы от поверхности волновода будет преобладать действие красного света, ответственного за силы притяжения.
Меняя соотношение мощностей красного и зеленого света, можно добиться создания потенциальной ямы с нужным положением минимума. Чем меньше относительная интенсивность красного света, тем дальше от поверхности будет положение равновесия (рис. 1б). Здесь еще важно учесть глубину потенциальной ямы для достижения стабильного управления, и из этого критерия рассчитывается диапазон расстояний, на которых может находиться частица. Таким образом, использование двух лазеров позволяет решить проблему оптического управления наночастицами.
З. Пятакова
1. Д.А.Шилкин, А.А.Федянин, Письма в ЖЭТФ 115, 157 (2022).
