Eine Methode zum Umschalten zwischen optischen Zug- und Druckkräften durch Änderung der Form von Fermi-Bögen in Weyl-Systemen

Optische Kräfte, die wie eine unsichtbare „Hand“ wirken, sind in der Lage, winzige Partikel präzise zu steuern. Optische Pinzetten, ein bekanntes Werkzeug, nutzen diese Kraft, um kleine Objekte wie Zellen, Bakterien und Viren einzufangen und zu manipulieren. Dieser Effekt basiert auf der Impulsübertragung von Photonen auf Teilchen – wenn Licht mit einem Teilchen interagiert, erzeugt es genug Kraft, um es zu bewegen. Arthur Ashkins Entwicklung einer optischen Pinzette brachte ihm 2018 den Nobelpreis für Physik ein.

Typischerweise erzeugt der Impuls von Photonen eine Schubkraft, die Teilchen vorwärts treibt. Dieses Konzept wurde erstmals vor über 400 Jahren von Johannes Kepler vorhergesagt, der die Idee eines „Sonnensegels“ vorschlug, um die Schubkraft des Lichts für die Weltraumforschung zu nutzen. Die Herausforderung besteht jedoch darin, eine optische Anziehungskraft zu erzeugen, bei der Licht Partikel zu seiner Quelle zieht. Während optische Pinzetten Partikel durch Fokussierung von Lichtstrahlen ziehen können, ist die Ausweitung dieser Zugkraft auf einen größeren Bereich eine erhebliche technische Herausforderung.

Darüber hinaus variiert das Verhalten von Partikeln in einem Lichtfeld mit ihrer Größe, Form und ihrem Brechungsindex, was die präzise Steuerung der optischen Kraft erschwert. Wissenschaftler haben nach Methoden gesucht, um eine konsistente optische Anziehungskraft zu erzeugen, die auf ein breites Spektrum von Partikeln wirkt.

Ein neues Papier veröffentlicht In Licht: Wissenschaft und Anwendungen demonstriert eine Methode zum Umschalten zwischen optischen Zug- und Druckkräften durch Änderung der Form von Fermi-Bögen in topologischen photonischen Weyl-Systemen.

Durch die Anpassung der Dicke der Luftschichten zwischen zwei Weyl-Materialien mit entgegengesetzter topologischer Ladung entdeckte das Forscherteam aus China, dass die Form des Fermi-Bogens von konvex in konkav umgewandelt werden konnte. Diese Transformation ermöglicht eine kontinuierliche Verschiebung des Photonenimpulses von positiv nach negativ und erzeugt eine stabile optische Anziehungskraft, die auf verschiedene Partikeltypen wirkt, unabhängig von Größe, Form oder Brechungsindex.

Durch detaillierte Vollwellensimulationen bestätigten die Forscher die Wirksamkeit dieses Ansatzes und betonten die einzigartigen Fähigkeiten konkaver Fermi-Bogenwellen bei der Erzeugung zuverlässiger optischer Zugkräfte.

Durch die Anpassung der Dicke der Luftschicht, um eine kontinuierliche Änderung der Fermi-Bogenform zu erreichen, eröffnet diese Technologie breite Anwendungsperspektiven. In Zukunft könnten Wissenschaftler diese Technik nutzen, um stabile, bidirektionale Partikeltransportkanäle zu schaffen und so innovative Plattformen für Präzisionsexperimente bereitzustellen und Bereiche wie Nanofertigung, Arzneimittelabgabe und Mikrofluidik voranzutreiben. Darüber hinaus birgt diese Spitzentechnologie auch das Potenzial für erhebliche Fortschritte bei Biosensoren und Umweltüberwachung.