Brněnští vědci využili rotaci fotonů k posouvání mikroobjektů

Oddělení Mikrofotoniky Ústavu přístrojové techniky Akademie věd České republiky (ÚPT AV ČR) v Brně přispělo novými cennými poznatky k tématu, za něž byla před měsícem udělena Nobelova cena za fyziku. Práci brněnských vědců o použití fotonů s vlastní rotací nedávno zveřejnil prestižní časopis Nature Communications.

Každý, kdo někdy hrál tenis nebo fotbal, ví, že roztočený míč létá po nečekaných drahách. Tato rotace kolem vlastní osy se v přírodě i laboratoři projevuje nepředvídatelným způsobem: koryta řek se stáčejí díky rotaci Země, v medicíně například rotace jader atomů při magnetické rezonanci pomáhá odhalit nádory v mozku.

Podobně se mohou chovat i částice světla – fotony. Už dlouho víme, že světlo působí znatelnou silou na velmi malé předměty (o průměru od desítek nanometrů po desetiny milimetru) a může je uvěznit ve světelné pasti. Tento princip „optické pinzety“ již před třiceti lety představil a zejména v biologii úspěšně využil fyzik profesor Arthur Ashkin, který loni v prosinci ve svých šestadevadesáti letech získal Nobelovu cenu za fyziku.

Nové experimentální cesty

Pokročilými experimenty se mohou pochlubit i brněnští badatelé v čele s profesorem Pavlem Zemánkem z ÚPT AV ČR, kteří ve svém nejnovějším článku odpověděli na zásadní otázky o šíření světla a otevřeli nové experimentální cesty ke světlem poháněným mikromotorům či k novým citlivějším senzorům. „Výzkumy ukázaly, že použití fotonů s vlastní rotací – takzvaně kruhově polarizovaného světla – vyústí v dramaticky odlišné chování částic zachycených v optické pinzetě,“ objasnil nový poznatek profesor Pavel Zemánek.

Při svém experimentu vědci ve vakuu vytvořili světelnou past. Vznikl v ní mnohem menší odpor prostředí a objekty se mohly pohybovat rychleji. „Od prvních experimentů Arthura Ashkina je známo, že když k zachycení částice používáme fotony bez vlastní rotace, bude částice v pasti držena silněji v okolí světelné pasti, pokud zvýšíme počet fotonů. My jsme však použili fotony s vlastní rotací a zjistili zcela opačné chování. Částice nezůstává ve světelné pasti, ale má tendenci obíhat kolem ní po orbitě, jejíž poloměr se zvětšuje s rostoucím počtem fotonů. Obtížně využitelná vlastní rotace fotonů se tak převádí na cyklický mechanický pohyb částice,“ přiblížil princip profesor Zemánek.

Článek Zemánkova týmu, zveřejněný koncem roku 2018 v časopise Nature Communications, najdete zde (v angličtině). K předchozím úspěchům profesorovy osmičlenné skupiny patří především experimentální potvrzení existence světelného tažného paprsku, za nějž získal v roce 2014 Cenu Wernera von Siemense v kategorii Nejvýznamnější výsledek základního výzkumu.

Autor: Pavla Schieblová
Zdroj: AV ČR