Wissenschaftler entwickeln neue Technik für maßgeschneiderte optische Pinzetten

Wissenschaftler haben eine neue Methode entwickelt, um kleine Partikel mit Licht einzufangen. Aufbauend auf der mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Technik der optischen Pinzette (Arthur Ashkin, 2018) hat ein Physikerteam unter der Leitung von Dr. David Phillips an der University of Exeter die Möglichkeiten der optischen Einfangung weiterentwickelt.

Das Forschungspapier, veröffentlicht im Journal Wissenschaftliche Fortschritteträgt den Titel „Photoneneffiziente optische Pinzette durch Wellenfrontformung.“

Bei herkömmlichen optischen Pinzetten, die in den 1980er Jahren entwickelt wurden, handelt es sich um einen stark fokussierten Laserstrahl, der bestimmte mikroskopisch kleine Partikel oder Organismen anziehen und festhalten kann, ähnlich dem Greifen eines Gegenstands mit einer Pinzette.

„In optischen Pinzetten ist ein Partikel jedoch nicht vollständig unbeweglich“, erklärt Erstautorin Dr. Une Butaite. „Es erfährt die thermische Bewegung der es umgebenden Moleküle. Ein bisschen wie ein Boot auf einem See, das von Wind und Wellen hin und her geschaukelt wird, aber durch den Anker am Abdriften gehindert wird, wackelt ein Partikel in optischen Pinzetten ständig herum, aber seine Bewegung ist auf ein bestimmtes Volumen beschränkt.“

Im Allgemeinen gilt: Je kleiner dieses Einschlussvolumen ist, desto nützlicher ist die optische Falle.

Damit optische Pinzetten funktionieren, muss das Laserlicht eng auf einen sehr kleinen Bereich fokussiert werden, der deutlich kleiner sein kann als das einzufangende Partikel. Und genau darin besteht das Problem: Wenn das Partikel groß ist, befindet sich das meiste Licht in der Nähe seines Zentrums, aber an seiner Oberfläche interagiert das Licht stärker mit dem Partikel.

Mit anderen Worten: Größere Partikel können das vorhandene Licht nicht optimal nutzen, wodurch der Grad der Einschließung abnimmt.

„Hier setzt unsere Forschung an“, erklärte Dr. Phillips. „Wir haben die Hypothese aufgestellt, dass das Licht das Teilchen stärker einschließen würde, wenn es nicht in der Mitte des Teilchens konzentriert wäre, sondern es umhüllen würde, so dass es sozusagen von einer engen Umarmung umgeben wäre.“

Allerdings ist es nicht einfach, die genaue Form des Lichts zu bestimmen, die die stärkste Eingrenzung ergeben würde.

„Hier gibt es keine Universallösung. Für eine optimale Leistung benötigt jedes einzelne Teilchen sozusagen einen maßgeschneiderten Lichtanzug“, sagte Dr. Butaite.

Um dies in die Praxis umzusetzen, mussten verschiedene mathematische und numerische Methoden sowie strenge experimentelle Techniken entwickelt und perfektioniert werden – alles erreicht in Zusammenarbeit mit Forschern der Universität Glasgow unter der Leitung von Dr. Jonathan Taylor (Schottland) und der Technischen Universität Wien unter der Leitung von Prof. Stefan Rotter (Österreich).