نور صرفاً چیزی نیست که ما میبینیم؛ بلکه میتواند نیروهای فیزیکی اعمال کند که باعث رانش یا چرخش ماده میشوند. در دهه ۱۸۷۰ میلادی، جیمز کلرک ماکسول پیشنهاد کرد که نور دارای تکانه (مومنتوم) است و میتواند به اشیاء فشار وارد کند. تقریباً ۱۰۰ سال بعد، در دهه ۱۹۷۰، آرتور اشکین این ایده را به یک ابزار کاربردی تبدیل کرد. او «انبرک نوری» (Optical Tweezers) را اختراع کرد که با استفاده از پرتوهای لیزرِ شدیداً متمرکز، ذرات بسیار کوچک را به دام انداخته و جابهجا میکند.
هرچند محققان مدتهاست میدانند که نور میتواند نیروهای ناچیزی اعمال کند، اما اندازهگیری این نیروها چالشی بزرگ بوده است. در مقیاس نانو، اشیاء مدام تحت تأثیر «حرکت گرمایی» (Thermal Motion) هستند که تشخیص این نیروهای ضعیف را دشوار میکند. اما اکنون یک روش اندازهگیری جدید فاش میکند که نور نیز میتواند اشیاء نانومقیاس را به شیوههایی غیرمنتظره بپیچاند!
روشی نو برای اندازهگیری نیروهای ناچیز
دانشمندان دانشگاه هوکایدو اکنون روشی را معرفی کردهاند که میتواند این نیروها را با دقت بالا اندازهگیری کند. آنها با استفاده از این رویکرد، به یک اثر غیرمنتظره دست یافتند: نور میتواند باعث شود اشیاء بسیار کوچک به پهلو (عمود بر جهت حرکت نور) بچرخند!
پروفسور یوشیتو تاناکا از دانشگاه هوکایدو میگوید:
ما پلتفرم اندازهگیری جدیدی به نام “میکرو-درون” (micro-drone) توسعه دادیم که برای اولین بار امکان شناسایی کامل سه بعدی نیروهای نوری و گشتاورهای وارد بر نانوساختارها را فراهم میکند.
در این چیدمان، یک نانوساختار در مرکز دستگاهی کوچک و صلیبشکل به نام میکرو-درون قرار میگیرد. چهار پرتو لیزر، مشابه عملکرد انبرکهای نوری که لبهها را میگیرند، این پلتفرم را ثابت نگه میدارند. محققان با ردیابی نحوه تغییر مکان و چرخش این پلتفرم، میتوانند نیروهای وارد بر جسمِ داخل آن را تعیین کنند.
غلبه بر محدودیتهای انبرک نوری
تاناکا میگوید:
انبرک نوری از زمان کارهای پیشگامانه آرتور اشکین (که برنده جایزه نوبل ۲۰۱۸ شد)، ابزاری قدرتمند بوده است. با این حال، روشهای مرسوم تنها میتوانستند چرخش یک جسم را حول یک محور واحد اندازهگیری کنند. رویکرد ما با اندازهگیری پلتفرمی که نانوساختار را در خود جای داده (به جای خودِ نانوساختار)، بر این محدودیت غلبه میکند.
این تکنیک، حرکت و چرخش را در تمام جهات ثبت کرده و یک نمای سهبعدی کامل ارائه میدهد. این روش با تبدیل نیروهای نانومقیاس به حرکات بزرگتر و قابلاندازهگیری پلتفرم، آنها را بهطور مؤثری تقویت میکند.
محققان برای آزمایش این روش، از ساختارهای طلایی بسیار کوچکی به شکل حرف “V” استفاده کردند. این ساختارها وقتی در داخل میکرو-درون در معرض نور قرار گرفتند، رفتاری به نام «گشتاور نوری عرضی» (Transverse Optical Torque) از خود نشان دادند؛ یعنی به جای چرخیدن در راستای مسیر نور، به سمت پهلو چرخیدند.
بازنگری در نحوه تعامل نور با ماده
منشأ این اثر غیرمنتظره بود. تئوریهای قبلی نشان میدادند که چنین حرکتی به «تکانه زاویهای» (Angular Momentum) نور بستگی دارد. با این حال، تیم تحقیق دریافت که ویژگی دیگری به نام «مارپیچگی نوری» (Optical Helicity) مسئول این اتفاق است. این ویژگی، «دستسانی» (Handedness) یا پیچشِ میدان الکترومغناطیسی نور را توصیف میکند.
محققان این موضوع را با طراحی آزمایشهایی تأیید کردند که در آنها تکانه زاویهای حذف شده بود اما مارپیچگی حفظ گشته بود. چرخش جانبی همچنان رخ داد که نشان داد مارپیچگی نقش کلیدی را ایفا میکند.
این یافته، درک عمیقتری از نحوه تعامل نور با ماده در مقیاسهای بسیار کوچک ارائه میدهد. همچنین راهکارهای جدیدی برای کنترل سیستمهای نانومقیاس، با کاربردهای احتمالی در نانوماشینهای نوری و فناوریهای حسگر پیشرفته، پیش روی ما میگذارد.
تاناکا میگوید:
این کار نمایانگر یک پارادایم جدید اندازهگیری برای اپتومکانیک نانومقیاس است. همانطور که انبرکهای نوری رشته جدیدی را در بیوفیزیک تکمولکولی گشودند، امیدواریم این پلتفرم دسترسی به پدیدههای مکانیکی نانومقیاسی را که تاکنون دور از دسترس بودهاند، فراهم کند.
منبع: Scitechdaily
