Российские физики разработали оптический пылесос для наночастиц

Физики разработали оптический пылесос, который втягивает в себя наночастицы. Это устройство состоит из диэлектрического куба с прорезью, облучаемой волной, длина которой совпадает со стороной куба. Работоспособность предложенного прибора ученые проверили с помощью численных расчетов. Статья опубликована в Scientific Reports.

Классическая оптика утверждает, что микроскоп может разглядеть только достаточно большие объекты, размер которых превышает половину длины волны используемого излучения. В частности, с помощью видимого света можно разглядеть детали не меньше нескольких сот нанометров, с помощью рентгена разрешение можно понизить до нескольких нанометров, а с помощью электронов (которые тоже ведут себя как волны) — до сотых долей нанометра. Это ограничение возникает из-за дифракции волн, которая не позволяет сфокусировать их в пятнышко с диаметром меньше половины длины волны. Поэтому физики называет его дифракционным пределом.

Тем не менее, около десяти лет назад физики научились обходить ограничения, накладываемые волновой природой света, с помощью хитро спроектированных наноразмерных приборов. В настоящее время дифракционный предел можно нарушить с помощью трехмерных дифракционных линз, линз на основе фотонных кристаллов и плазмонных линз с рядами нанометровых прорезей. В частности, один из простейших приборов, нарушающих дифракционный предел — это микрочастица с небольшим отверстием, вырезанным на ее теневой стороне. Численные расчеты показывают, что с помощью такой микрочастицы можно сфокусировать свет в пятнышко диаметром около 1/40 от длины волны света. При этом форма частицы роли практически не играет.

Группа физиков под руководством Игоря Минина обнаружила еще одно необычное свойство таких микрочастиц — оказалось, что сложная конфигурация электромагнитных полей, которая образуется при рассеянии света на частице, втягивает в отверстие более мелкие пылинки и превращает микрочастицу в оптический пылесос. В качестве примера такого пылесоса исследователи теоретически рассмотрели равносторонний куб, изготовленный из материала с коэффициентом преломления n = 2. Между двумя противоположными гранями куба ученые проделали цилиндрическое отверстие с диаметром около 1/20 от стороны куба. Вдоль этого отверстия исследователи направили линейно поляризованную электромагнитную волну, длина которой совпадала со стороной куба.

Сначала физики численно рассчитали напряженность электрического поля внутри и около куба с помощью метода конечных элементов, реализованного в программе COMSOL Multiphysics. Оказалось, что микрочастица с правильно подобранными параметрами фокусирует большую часть энергии падающей волны около теневой стороны отверстия. Кроме того, ученые нашли мультипольные моменты, которые возбуждает в кубе падающая волна, чтобы упростить анализ сгенерированного электромагнитного поля. Интересно, что сильнее всего в кубе возбуждался магнитные квадрупольные и октупольные моменты.

Затем исследователи рассмотрели, как себя поведет наночастица, попавшая в электромагнитное поле просвеченного куба. Вообще говоря, на частицу в электромагнитном поле действует две силы: рассеивающая сила, которая тащит частицу вдоль вектора Пойнтинга, и градиентная сила, которая тянет ее в область с максимальной напряженностью поля. В данном случае силы сочетаются таким образом, что частица, находящаяся в окрестности куба, будет втягиваться в его отверстие, словно в шланг пылесоса. В сущности, принцип работы такого оптического пылесоса не отличается от работы широко известного оптического пинцета.

Авторы статьи подчеркивают, что до сих пор не существует дешевых и доступных приборов, которые эффективно захватывают наночастицы. Поэтому предложенное ими устройство может стать одним из первых в этой области. В частности, ученые предлагают использовать его для очистки воздуха биомедицинских лабораторий от нежелательных примесей. Впрочем, сначала исследователям придется подтвердить верность своих расчетов в полноценном эксперименте.

В 2016 году аспирант Томского государственного университета Александр Бузимов разработал композитное сито на основе керамики и цеолитов, которое способно очищать кровь при диализе. Впоследствии благодаря этому проекту Бузинов выиграл главный приз конкурса ВИК.нано. Подробнее про его работу можно узнать в интервью «Наносито для крови».

Дмитрий Трунин