پژوهش‌گران با استفاده از لیزر، یک باریکه‌ی تراکتوری (tractor beam) را پدید آورده‌اند که می‌تواند ذرات را حرکت داده و آن‌ها را مرتب سازد.

این ایده که نور بتواند اشیاء را با چنگ نگه‌دارد ممکن است یک حقه‌ی علمی به نظر برسد، اما انبرک‌های نوری که برای نگهداری ذرات در کانون لیزری به‌کار می‌روند، امروزه کاربرد گسترده‌ای دارند. مفهومی که ممکن است فریبنده‌تر به نظر برسد «باریکه‌ی تراکتوری» است: باریکه‌ای از نور یا صدا که می‌تواند یک شیء را به سمت خود بکشد. حدوداً طی سه سال گذشته فیزیکدانان نشان داده‌اند که باریکه‌های تراکتوری از نظر تئوری امکان‌پذیر هستند و تلاش زیادی نیز در آزمایشگاه جهت ساخت نمونه‌ای از آن صورت گرفت. اکنون پژوهش‌گرانی در جمهوری چک و بریتانیا با استفاده از دو باریکه‌ی لیزری، نمونه‌ای ساده از آن را تولید کرده‌اند. به طرز غیرمنتظره‌ای، آن‌ها یک روش قدرتمند برای مرتب کردن ذرات میکروسکوپی کشف کرده‌اند.

هل دادن و کشیدن با استفاده از نور قطبیده

 انبرک نوری ذره را در کانون لیزر نگه می‌دارد، اما اگر شما بخواهید ذره را جابجا کنید مجبورید کانون را برای مثال با حرکت لنز تنظیم کنید. در تئوری یک تراکتور نوری، باریکه‌ای از نور است که می‌تواند ذرات را به سمت منبع تابش بکشاند بدون آنکه کانون را جابجا کند. با این وجود فوتون‌ها اندازه حرکتی را با خود حمل می‌کنند که می‌تواند به ذره انتقال داده شود و بنابراین آن را از منبع دور‌ ‌کند- پدیده‌ای که به نظر می‌رسد باریکه‌ی تراکتوری را نامحتمل ‌سازد.

در سال 2006 فیلیپ مارستون از دانشگاه ایالتی واشنگتون نشان داد که انعطاف‌پذیری کمی وجود دارد. اگر ذره تحت تابش باریکه‌ی بسل (Bessel beam، شامل جبهه‌موج‌هایی که دایره‌های هم مرکزی را روی مرکز جسم تشکیل می‌دهد) قرار گیرد، اندازه‌حرکت پس‌زنی که ذره از فوتون‌های پراکنده به سمت جلو به‌دست می‌آورد می‌تواند از اندازه‌حرکتی که از فوتون‌های ورودی به‌دست می‌آورد بیشتر شود. بر طبق محاسبات آن‌ها نیروی خالصی که ذره تجربه می‌کند، می‌تواند آن‌ را دوباره به سمت منبع نور هدایت کند.  

کار سخت

در واقع ایجاد یک باریکه‌ی بسل که بتواند نیروی کششی را از فاصله‌ی قابل توجهی اعمال کند، کار آسانی نیست، زیرا به مقدار باورنکردنی انرژی نیاز است. در نتیجه تراکتورهای نوری در قالب ساختارهای تئوری باقی ماندند؛ اگرچه دانشمندانی مانند دیوید گریر از دانشگاه نیویورک تقریب‌هایی از آن را ساخته‌اند.

در این پژوهش اخیر، فیزیکدانان در مؤسسه‌ی تجهیزات علمی آکادمی علوم جمهوری چک و دانشکده‌ی پزشکی در دانشگاه سنت اندرز، توانستند نسخه‌ی ساده‌تری از تراکتور نوری را تولید کنند. یافته‌ی آن‌ها از دو باریکه‌ی لیزری تشکیل شده است که با یک لنز، کانونی را به وجود می‌آورد- یک هندسه‌ی نسبتاً ساده که می‌تواند به آسانی با استفاده از یک سیستم میکروسکوپی تجاری استاندارد ساخته شود. آن‌ها دریافتند که با کانونی کردن نور به سمت داخل، همان اثری را می‌توانند ایجاد کنند که در صورت استفاده از باریکه‌ی بسل به وجود می‌آید.

پاول زیمنک، سرپرست گروه، توضیح می‌دهد: «این ایده به ما این اجازه را می‌دهد که باریکه‌ی تراکتوری بیشتری تولید کنیم و هم‌چنین قطبش که در اینجا نقش بسیار مهمی را داراست، بهتر کنترل شود.» این پژوهش‌گران موفق به کشیدن ذراتی با ابعاد 30 μm شده‌اند و در صورت استفاده از لیزرهای قویتر می‌توانند جلوتر روند.

اثرات پیش‌بینی نشده و مفید

به طرز غیرمنتظره‌ای این پژوهش‌گران دریافتند که نور می‌تواند برخی اثرات دور از انتظار و به طور بالقوه بسیار سودمندی را روی ذرات داشته باشد. برای مثال اینکه ذرات توسط نور لیزر کشیده و یا هل داده شوند، به اندازه ذرات و قطبش نور بستگی دارد. در نور با قطبش S، میدان الکتریکی در صفحه‌ی پرتوهای ورودی و بازتابی قرار داشته و اغلب دیده می‌شود که ذرات دارای اندازه خاصی، کشیده می‌شوند. در حالی که  در نور با همان طول موج و قطبشP، میدان الکتریکی بر این صفحه عمود بوده و ذرات هل داده می‌شوند.

این نتیجه به پژوهش‌گران این اجازه را داد که روشی برای مرتب سازی مخلوطی از ذرات با دو اندازه مختلف را بر مبنای تغییر قطبش نور ابداع کنند. آن‌ها هم‌چنین یک «اتصال اپتیکی» (optical binding) را مشاهده کردند که به موجب آن ذرات نورانی می‌توانند به یکدیگر چسبیده و ساختارهای متنوع خود-ترتیب (self-arrange) را پدید آورند.

این پژوهش در مجله‌ی Nature Photonics منتشر شده است.

منبع: http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/jan/24/optical-tractor-beam-sorts-tiny-particles