Pinças Óticas e a pressão de radiação na escala nanométrica. Paulo A. Maia Neto Instituto de Física Rio de Janeiro, Brazil

Transcrição

1 Pinças Óticas e a pressão de radiação na escala nanométrica Paulo A. Maia Neto Instituto de Física Rio de Janeiro, Brazil

2 Pressão de radiação 1) Bloco absorvedor P = 3 mw F = N

3 2) Espelho perfeitamente refletor Momento é vetor: pode trocar momento sem trocar energia!

4 Tentando demonstrar efeitos do momento do fóton Radiômetro de Crookes (1873): Faces opostas refletoras/absorvedoras

5 Tentando demonstrar efeitos do momento do fóton Radiômetro de Crookes (1873): Faces opostas refletoras/absorvedoras

6 Esquema do Radiômetro de Crookes Como deveria ser......e o que realmente acontece: Gira ao contrário! Efeito térmico muito mais importante (energia e não momento do fóton) gradientes de temperatura e pressão do gás produzem a rotação Desaparece se vácuo é muito bom

7 Veleiro Solar: usando o momento reduzindo a razão volume/área... dos fótons no espaço Cosmos I: lançado em junho de 2005, foguete não chegou a entrar em órbita...

8 Exemplo: pressão de radiação sobre espelho F =2 P c ẑ Ordem de Grandeza P = 30 mw P/c = 100 pn Bolinha de raio a = 1µm,! = 1 g/cm 3 mg = 0.04 pn Troca c =3 momento 10 8 m/s mas não energia! R = 100 nm ρ F = F exact F PFA a (µm) (geom./area, índices) F pr ~ 0.1 P/c ~ 10 pn >> mg L/R Na escala micro/nanométrica, interações de superfície dominam efeitos volumétricos V 1 r 7

9 Outra forma de reduzir razão volume/área: reduzir para a escala micro/nanométrica... Demonstrando a pressão de radiação com feixe de laser A. Ashkin 1970 Bell Labs Bolinhas de latex (diâmetro ~ 1 micron) empurradas pelo feixe: Ao mesmo tempo, elas eram empurradas para o eixo central do feixe (região de maior intensidade) Bolhas de ar: expulsas da região em torno do eixo do feixe força de gradiente

10 Explicando a força de gradiente Começando com a eletrostática: experimento com pente e pedacinhos de papel Polarizabilidade da partícula Força de gradiente (aproximação de dipolo)

11 Prendendo átomos com luz: armadilhas de dipolo pinças de átomos Aplicando na computação quântica:

12 Voltando para as bolinhas do Ashkin...

13 Armadilha ótica com um único feixe fortemente focalizado Ashkin, Dziedzic, Byorkholm and Chu 1986 Steve Chu Nobel 1997 Objetiva Objetiva de grande abertura numérica: focalização e visualização da partícula presa Pinças Óticas Muitas aplicações: biologia celular, etc... UFRJ: LPO-COPEA

14 Laboratório de Pinças Ópticas COPEA UFRJ Localização: Dep. Anatomia ICB - CCS IF-UFRJ: Moysés Nussenzveig (coordenador), PAMN, Nathan Bessa Viana nathan@if.ufrj.br, CCS: Marcos Farina e Vivaldo Moura Neto Pós-Graduandos: Paula Monteiro, Rafael Dutra, Yareni Ayala e Bruno Pontes

15 Esquema experimental no lab pinças ópticas - UFRJ Nd:YAG laser " = µm Infinity-corrected, inverted microscope; oil-immersion objective NA = 1.4

16

17

18 Partículas armadilhadas (raio a) não são pequenas comparadas com comprimento de onda... Tipicamente a ~ " partícula não pode ser aproximada por um dipolo; variação temporal do campo não é lenta... Regime de espalhamento Mie Regime de óptica geométrica: a >> " Contribuição dos raios refratados aponta para o foco (como a força de gradiente!) Mas contribuição dos raios refletidos aponta ao longo da direção de propagação ( pressão de radiação )

19 Armadilha com um único feixe funciona se índice de refração relativo n da esfera transparente for tal que n > 1 n 1 é pequeno (mas não demais!), de forma que refração é favorecida em detrimento da reflexão Bom compromisso: Bolinhas de poliestireno em água: n = 1.58/1.33 = 1.19, Bolinhas de silica em água: n = ou células biológicas na água...

20 Toxoplasma gondii cortesia do Prof. Ubirajara Agero (UFMG) filme produzido no LPO-COPEA-UFRJ

21 Simulação Universidade do Colorado - PhET 21

22 Aplicações quantitativas ex: medindo a força exercida por uma única molécula de DNA esticada - M. Williams et al - Northeastern U., Boston, Estados Unidos 22

23 Aplicações quantitativas: medida de forças biológicas por comparação com força ótica. micro-esferas Tipicamente raios a ~ " ótica geométrica fora dos regimes Rayleigh e Teoria Mie-Debye (MD) Teoria ondulatória, não-paraxial das pinças óticas Mie: modelo exato para espalhamento de luz por esfera, válido para valores arbitrários de raio e comprimento de onda Debye: modelo exato para feixe fortemente focalizado (Wolf: teoria vetorial) - não-paraxial, leva em conta difração pelas beiradas da objetiva

24 Teoria Mie-Debye (MD) Oscilações da posição de equilíbrio interferência quando foco e centro coincidem PAMN e HM Nussenzveig (2000) Ótica Geo. 2πa/λ Interferência medida!! M. Guillon, K. Dholakia and D. McGloin F =2 P University of Dundee, University of St. Andrews c ẑ 2008

25 Teoria Mie-Debye (MD) Deslocando a objetiva para baixo (diminuindo d) Salto da bolinha no potencial ótico Viana, Rocha, Mesquita, Mazolli, Maia Neto e Nussenzveig, 2006, 2007 a = µm 2.1 µm d Calibrando o comprimento do salto: 2.2 µm d = 3 µm d = 6 µm z / a Foco paraxial d = 15 µm

26 Usando feixes de luz com momento angular orbital Frente de onda de forma espiral Vetor de Poynting gira em torno da direção de propagação Filme: duas esferas aprisionadas por feixe com momento angular orbital (tese de doutorado de Paula Borges Monteiro)

27 Pinças óticas: importante na física, biologia celular... novas aplicações tecnológicas no futuro próximo!