Китайські фізики детально вивчили поведінку левітуючої в оптичному пінцеті мікрочастинки в умовах центрифугування. Вони показали, що така система може бути використана для вимірювання маси частинок, а також в якості детектора кутової швидкості або гіроскопа. Дослідження опубліковано в.
Оптичні пінцети стали невід'ємним інструментом сучасного фізичного експерименту. В їх основі лежить здатність сфокусованого пучка світла утримувати мікрочастинки в певній області простору за рахунок тиску sveta. Це виявляється корисним для багатьох завдань атомної та молекулярної фізики, хімії, біології та інших областей. За винахід оптичного пінцету в 2018 році була присуджена Нобелівська премія з фізики, чому був присвячений наш матеріал «Скальпель і пінцет».
Крім чисто практичних цілей утримання частинок у пінцеті представляє інтерес завдяки багатій динаміці, що супроводжує таку оптичну левітацію. Захоплені мікрочастинки випробовують рух центру мас, обертання, лібрацію і прецесію. Всі ці типи руху, з одного боку легко детектуються, з іншого - дуже чутливі до найдрібніших впливів, що робить їх хорошими механічними сенсорами, тому вчені приділяють цьому питанню велику увагу.
Юйле У (Yulie Wu) з Оборонного науково-технічного університету Народно-визвольної армії Китаю з колегами вирішили вивчити відцентровий рух мікрочастинки, спійманої в оптичний пінцет, що обертається. Для цього вони розмістили всі елементи оптичної схеми на обертовому столі. Вісь обертання була паралельною осі пінцету, але відстояла від неї на деякій відстані.
Для створення пастки фізики використовували лазер з довжиною хвилі 1064 нанометри і потужністю 500 міліват, світло від якого було сфокусоване в пляму діаметром близько чотирьох міліметрів при кімнатній температурі і тиску. Після фокусування випромінювання передавалося на балансний детектор, який вимірював зміщення частинки. Додатково пастка опромінювалася світлом лампи для отримання зображення за допомогою камери.
Автори записали і вирішили рівняння руху частинки в таких умовах і з'ясували, що зміщення повинно залежати лінійно від маси, відстані між осями і зворотної жорсткості пастки, але квадратично від кутової швидкості. Вимірювавши зміщення для різних швидкостей і напрямків обертання для кремнієвої сферичної частинки діаметрів 22 мікрони і міжосної відстані, що дорівнює 20 міліметрам, фізики переконалися в цьому, проте витягнута з апроксимації жорсткість оптичної пастки виявилася дещо завищеною порівняно з цією ж величиною, але отриманою з вимірювання поперечних осциляцій.
Дослідники припустили, що помилка виходить з неточного вимірювання відстані між осями. Провівши аналогічні експерименти з різними значеннями цієї відстані, фізики побачили, що залежність від нього дійсно виявилася нелінійна. Провівши коригування, автори переконалися, що вирахувана з даних про обертання маса частинки не залежить від частоти в межах похибок і збігається з величиною, виміреною іншим методом.
Також вчені вивчили те, як змінюється обертання левітуючої мікрочастинки в умовах центрифугування. Для цього вони поміщали в пінцет еліптичну мікрочастинку і опромінювали її лазером з кругової поляризації. За відсутності обертання столу частинка оберталася з частотою 1,3 герца. Додавання обертання столу зменшувало цю частоту за параболічним законом. Автори пояснили це відцентровим зміщенням частинки в область з більш низькою інтенсивністю світла, і, як наслідок, з меншим моментом сили. Вони припускають, що це може знайти застосування в сенсорах обертання і гіроскопах.
Оптичні пінцети дозволяють робити з мікрочастинками дивовижні речі. Нещодавно ми розповідали, як з їх допомогою пожонглювали гліцериновими краплями і побачили квантування електричного заряду неозброєним оком.