Roda fotônica: do raio trator ao canhão de nanopartículas

Com informações do Instituto Max Planck - 18/10/2013

Ilustração do momento angular longitudinal tradicional, em cima, e do novo momento angular puramente transversal, ou roda fotônica.
[Imagem: Peter Banzer/MPI for the Science of Light]

Luz com momento angular puramente transversal

Pesquisadores do Instituto Max-Planck, na Alemanha, descobriram um novo tipo de onda de luz que permite um controle mais preciso na manipulação de objetos em escalas micro e nano.

Com a nova onda, torna-se possível usar um laser para fazer com que partículas minúsculas girem em torno de um eixo perpendicular ao feixe de luz - a partícula vai girar como a roda de uma bicicleta, na direção do seu movimento.

Os pesquisadores batizaram a nova forma de luz de roda fotônica, essencialmente uma luz com momento angular puramente transversal.

Este estado da luz era desconhecido. Os físicos consideravam que toda luz tinha um momento angular longitudinal, em forma de hélice - levando-a ao extremo, eles criaram a "luz torcida".

A descoberta tem um impacto direto no campo das pinças ópticas - os biólogos, por exemplo, usam as pinças ópticas para alinhar as células e girá-las sob o foco de um microscópio.

Embora a força que um fóton exerce seja quase infinitesimal, o efeito de inúmeras partículas de luz em feixes intensos e bem focados de raios laser somam-se de tal maneira que objetos de até alguns micrômetros podem ser pegos em uma armadilha óptica e movimentados.

Isso abre caminho para a manipulação de células e outros objetos nas escalas micro e nano, incluindo a criação de raios tratores.

• A luz que move a matéria

Uma lente focaliza dois feixes girando em direções opostas em um ponto focal do tamanho do comprimento de onda da luz.
[Imagem: Peter Banzer/MPI for the Science of Light]

Roda fotônica

Na roda fotônica, o campo elétrico da onda eletromagnética gira em torno de um eixo cuja orientação é perpendicular à direção do movimento, exatamente como o eixo de uma roda.

O momento angular puramente transversal começa com uma onda de luz polarizada circularmente, gerada por um cristal birrefringente que gira como um parafuso na direção de propagação do feixe.

Dependendo da orientação do cristal, a onda de luz vai girar no sentido horário ou anti-horário.

Peter Banzer e seus colegas combinaram dois cristais de tal maneira que uma parte do feixe de laser gira no sentido horário e outra parte no sentido anti-horário.

Finalmente, uma lente focaliza os dois feixes parciais girando em direções opostas em um ponto focal do tamanho do comprimento de onda da luz.

Agora, os físicos querem usar o campo de luz giratório para fazer uma nanopartícula girar sobre si mesma suspensa apenas pela luz - e para fazer outras brincadeiras, como canhões de nanopartículas.

"Se nós primeiro acelerarmos as partículas em uma armadilha óptica circular e, em seguida, abrirmos a armadilha, elas devem ser arremessadas longe conforme giram, e poderíamos organizar uma espécie de corrida de dragster com nanopartículas," entusiasma-se o professor Gerd Leuchs.

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