Сотрудники Института физики света им. Макса Планка (Германия) сконструировали удобную в управлении и простую оптотермическую ловушку для микрочастиц.

По названию устройства понятно, что на захваченный объект действуют и сила термического происхождения, и излучение. Новая ловушка, таким образом, напоминает одновременно оптические пинцеты, позволяющие манипулировать частицами с помощью направляемого на них сфокусированного лазерного пучка, и ловушки, работа которых основана на фотофоретических силах. Для возникновения последних необходим температурный градиент: когда одна сторона микрообразца нагрета сильнее другой, молекулы газа после соударения отражаются от «горячей» поверхности с большей скоростью.

В результате он приобретает нескомпенсированный импульс, направленный от «горячей» стороны к «холодной».

Рис. 1. Срез фотонно-кристаллического оптоволокна (фото Tijmen Euser).

Частицы диоксида кремния диаметром ~3 мкм, с которыми экспериментировали германские физики, находились не в свободном пространстве, а в полой сердцевине фотонно-кристаллического оптоволокна. Оно отличается от обычного тем, что его оболочка содержит периодический массив отверстий — структуру с фотонной запрещённой зоной, помогающую удерживать свет в заполненной воздухом сердцевине. Попадая в такое оптоволокно, лазерное излучение создавало давление на частицу, захватываемую в центральной области, и перемещало её в осевом направлении.

Обычно температурный градиент, о котором мы говорили выше, создаётся за счёт того, что сама частица поглощает излучение. Авторы нашли другое решение, подходящее и для работы с непоглощающими микрообъектами: в сорока сантиметрах от «входа» в оптоволокно они разместили цилиндрический нагревательный элемент длиной 1,2 см. В обогреваемой зоне температура оставалась постоянной и несколько повышенной, а с удалением от границ 1,2-сантиметровой области — спадала, создавая градиент вдоль оси волокна.

Рис. 2. Оптоволокно с полой сердцевиной, вдоль которого перемещается частица, встречающая на своём пути искусственно нагретый участок.

Подталкивая частицу к нагретому участку, физики регистрировали изменения её скорости. Как выяснилось, на 1,2-сантиметровом отрезке она (при неизменной мощности лазерного излучения) движется чуть медленнее, что можно объяснить увеличением вязкости воздуха в результате нагревания. Кроме того, скорость частицы резко падала в момент приближения к переднему краю обогреваемой зоны, причём амплитуда снижения скорости зависела от разности температур окружающего пространства и нагревательного элемента.

При корректной установке мощности излучения — балансировке термической и оптической сил — частица могла просто остановиться перед нагревателем.

Моделирование результатов показало, что

фотофоретические силы в описанной экспериментальной схеме особой роли не играют. Их место занимает «дополнительная» сила сопротивления движению частицы, вызванная перемещениями воздушных масс в сердцевине оптоволокна.

Упрощённая диаграмма этих воздушных потоков, появление которых связано именно с градиентом температур, дана на рисунке ниже.

Рис. 3. Схема воздушных потоков в сердцевине и результаты измерений скорости движения частицы на разных участках оптоволокна при постоянной мощности излучения в 72 мВт. Видно, что довольно большая (118 К) разность температур нагревательного элемента и среды заставляет частицу останавливаться. (Иллюстрация из журнала Physical Review Letters).

В следующем опыте вместо статического градиента использовалось динамически изменяющееся распределение температуры. Чтобы сформировать такое распределение, нагревательный элемент убрали, после чего небольшой (~0,5 мм) участок оптоволокна покрыли поглощающим материалом. Перемещаясь вдоль оси волокна под действием лазера, частица рассеивала излучение вперёд, а оно затем поглощалось узкой полоской материала, что приводило к локальному нагреву.

При испытаниях этой схемы частица также останавливалась у поглощающей полоски. Точка остановки, что важно, почти не сдвигалась в случае увеличения оптической мощности, то есть мощности лазера были пропорциональны и давление излучения, и сила термического происхождения. Для того чтобы снизить сопротивление движению и дать частице возможность пройти дальше, экспериментаторам пришлось уменьшать поглощающую площадь — удалять слой материала с нижней части оптоволокна.

По мнению учёных,

опробованную ими простую оптотермическую ловушку уже сейчас можно встраивать в приборы типа «лаборатория на чипе». Параметры ловушки легко настраиваются, а использование материалов с резонансным поглощением позволит ещё и дистанционно включать и выключать её, меняя длину волны лазерного излучения.

Полный отчёт об экспериментах опубликован в журнале Physical Review Letters.