La necessitat de manipular objectes sense interactuar de manera física amb ells o a través d’un camp de força és una idea que ha captivat a les persones des de fa molts anys. Això s’ha posat de manifest en pel·lícules i sèries de ciència-ficció com Star Trek o Star Wars, en les quals un feix de llum podia atrapar i atraure naus espacials. Encara que actualment la manipulació òptica d’objectes de gran grandària no és possible, l’atrapament de partícules a xicotetes escales sí que ho és. L’eina creada per a això s’anomena pinces òptiques, creada per Arthur Ashkin en 1986 i gràcies a la qual va guanyar el premi Nobel de Física en 2018.

Amb aquestes pinces òptiques, mitjançant un feix làser focalitzat amb l’objectiu d’un microscopi, es poden atrapar i manipular objectes molt xicotets suspesos en aigua o en l’aire. A partir d’aquesta eina, científics de tot el món han desenvolupat diferents mecanismes d’atrapament per a diferents aplicacions. I un dels més recents ha sorgit dels laboratoris de dos grups d’investigació de la Universitat de València i de la Universitat Politècnica de València, que han desenvolupat uns nous components –elements òptics difractius, EOD– que confereixen més flexibilitat, capacitat i prestacions a les pinces.

El nou sistema permet un control precís i simultani de partícules en diferents configuracions, millorant significativament la manipulació.

En sistemes de pinces òptiques convencionals, la capacitat d’atrapar i manipular partícules es veu restringida per la formació d’un únic vòrtex òptic amb una determinada càrrega topològica. La principal novetat del treball resideix en la capacitat de generar múltiples fas vòrtexs concèntrics amb càrregues topològiques independents, la qual cosa els permet moure’s sobre cada vòrtex de manera autònoma i en direccions independents al voltant de l’eix òptic.

“Hem dissenyat una màscara de fase multiplexada capaç de formar dos vòrtexs amb diferents càrregues topològiques, la qual cosa amplia encara més les possibilitats de manipulació. Els nostres EOD permeten generar múltiples vòrtexs concèntrics i prometen un major control i versatilitat en la micro-manipulació de partícules en trajectòries circulars”, incideix Vicente Ferrando, investigador del Centre de Tecnologies Físiques (CTF) de la Universitat Politècnica de València.

“L'òptica de vòrtexs ha avançat molt des dels anys 80 del passat segle i ha sigut clau en camps com la comunicació i la biotecnologia. La màscara de fase multiplexada és una fita de gran rellevància en aquest camp, que contribuirà a augmentar la flexibilitat i la capacitat dels sistemes de pinces òptiques”, explica Walter D. Furlan, investigador del Departament d’Òptica i Optometria i Ciències de la Visió de la Universitat de València.

La innovació té un enorme potencial en camps com la computació quàntica, la fotònica, la nanotecnologia, la construcció de micro-màquines i micro-motors. I podria ajudar també a entendre millor com funcionen les cèl·lules en el nostre cos o a crear noves tecnologies mèdiques, entre moltes altres aplicacions.

Els resultats del treball formen part de la tesi doctoral de l’investigador del CTF de la UPV Francisco M. Muñoz-Pérez, primer autor de l’estudi qui afig: “A pesar que encara no podem manipular naus espacials, això crea un nou enfocament en l’atrapament i manipulació de microbjectes”.

-------------

Referència

Multiplexed vortex beam-based optical tweezers generated with spiral phase mask F.M. Muñoz-Pérez, V. Ferrando, W.D. Furlan, J.C. Castro-Palacio, J.R Arias, Juan A. Monsoriu ISCIENCE, Volume 26, Issue 10, 107987, October 20, 2023 https://doi.org/10.1016/j.isci.2023.107987