Mit optischen Pinzetten lassen sich kleinste Teilchen wie Moleküle oder lebende Zellen festhalten. Die aus einem Laserstrahl geformten "Greiffinger" können Teilchen allerdings nicht völlig ruhig halten. Mithilfe der Expertise von Wiener Physikern ist es nun britischen Forscherinnen und Forscher gelungen, die optische Pinzette auf das jeweilige Teilchen maßzuschneidern und es dadurch viel fester zu halten. Sie berichten darüber im Fachjournal "Science Advances".
Für die Entwicklung der optischen Pinzette wurde der US-Forscher Arthur Ashkin 2018 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet. Die Technologie nutzt die Kraft des Lichts - konkret eines fokussierten Laserstrahls, um kleinste Objekte festzuhalten bzw. gezielt zu manipulieren, ohne sie zu berühren. Die Anwendungen reichen von der Biologie, etwa zur Untersuchung biologischer Vorgänge auf molekularer Ebene, bis zur Quantenphysik, wo einzelne Atome mittels Laser festgehalten werden.
Allerdings wird ein Teilchen in solchen optischen Fallen nicht vollständig ruhiggestellt. "Es wird durch die thermische Bewegung der umgebenden Moleküle beeinflusst, ähnlich wie ein Boot, das zwar von einem Anker festgehalten, aber durch Wind und Wellen noch bewegt wird", erklärte die Erstautorin der nun veröffentlichten Arbeit, Unė Būtaitė von der University of Exeter (Großbritannien), in einer Aussendung. "Man könnte auch die Leistung des Laserstrahls erhöhen, um ein Teilchen noch fester zu halten, doch wenn man das Licht zu stark macht, kann es das Teilchen beschädigen", erklärte Co-Autor Stefan Rotter von der Technischen Universität (TU) Wien gegenüber der APA.
Um die Bewegung eines Partikels in der optischen Pinzette zu minimieren, griffen die britischen Forscher auf die Arbeiten des Wiener theoretischen Physikers zurück. Rotter hat in den vergangenen Jahren in zahlreichen Arbeiten das große Potenzial maßgeschneiderter (Licht-)Wellen aufgezeigt. Derart gestaltete Wellen können etwa undurchsichtige Materialien durchdringen oder Informationen über dahinter liegende Gegenstände extrahieren.
Und so arbeitete das Team daran, den Laserstrahl so zu formen, dass er "ohne Leistungserhöhung - nur über seine räumliche Gestalt in der Umgebung des Teilchens - dieses noch fester einfangen kann", so Rotter. "Es gibt hier keine Einheitslösung, sondern jedes Teilchen benötigt einen maßgeschneiderten Lichtanzug, um die beste Leistung zu erzielen", erklärte Būtaitė.
Im Experiment hätten sich deutliche Verbesserungen bei der Immobilisierung der Teilchen gezeigt. Die Herausforderung in der experimentellen Umsetzung der theoretischen Vorhersagen lag Rotter zufolge darin, dass die genaue Form von Teilchen oft nicht genau bekannt ist. "Der passende Lichtanzug, der zum Teilchen passt, kann nicht im Voraus berechnet werden, sondern muss erst im Experiment selbst auf jedes Teilchen individuell angepasst werden", betonte der Physiker. Die experimentelle Leistung bestand darin, dies so zu bewerkstelligen, dass das Teilchen während des Anpassens des Anzugs nicht aus der Lichtfalle herausfällt.
