Mikroskopisk farkost styrs med ljus – på nytt sätt

Ytor med en speciell sorts nanostruktur kan styra ljus. Nu har en forskargrupp kommit på hur de även kan använda ljuset för att styra ett föremål med en sådan yta.

Text Anna Davour

Publicerad 2021-08-27

Små ”metafarkoster” i vatten. De har en yta som gör att de kan styras med ljus. Ljusets polarisering avgör i vilken riktning de rör sig. Blir de belysta med cirkulärpolariserat ljus går de runt i cirkel, och med planpolariserat ljus går de rakt fram. Genom att ändra polariseringen på ljuset kan de styras i godtyckliga banor.
Bild: Daniel Andrén, Chalmers tekniska högskola

På filmen syns hur en liten fyrkant slingrar sig fram under vattnet, korsar sin egen bana, vänder runt och kommer tillbaka till startpunkten. När banan den följt ritas upp ser den ut som en liggande åtta. Den lilla farkosten är bara omkring en hundradels millimeter lång, och den styrs med ljus. Mikael Käll, professor i fysik på Chalmers tekniska högskola, beskriver hur experimentet går till:

– Min doktorand Daniel Andrén belyser partikeln med en laserstråle, och då börjar den röra sig. Strålen passerar en platta som bestämmer ljusets polarisering. Genom att vrida på den ändrar han polariseringen, och då följer partikeln efter.

Forskarna har även visat att de kan lasta farkosten med ett dammkorn eller en jästcell och transportera omkring lasten.

Nyckeln är den speciella ytan, som består av ett regelbundet mönster av speciellt utformade kiselpartiklar. Ytan påverkar ljus som faller in mot den, och ändrar ljusets riktning och polarisering. En sådan yta kallas metayta, och kan skräddarsys för olika optiska tillämpningar. Det går till exempel att göra linser som är helt platta men kan fokusera eller sprida ljus på samma sätt som klassiska linser av glas.

Det nya som Mikael Källs forskargrupp har gjort är att vända på konceptet och utnyttja hur ljuset påverkar ytan själv.

Kraft och motkraft

Varje kraft har en lika stor reaktionskraft riktad åt motsatt håll, det har alla som studerar fysik fått lära sig sedan Isaac Newton. En yta som ändrar ljusets riktning får alltså en liten knuff åt andra hållet. En metayta som är utformad på rätt sätt kan driva fram en liten farkost.

Annars brukar forskare använda fokuserat laserljus, som är starkare i en del av strålen än i en annan del, för att manipulera celler och andra mikroskopiska föremål – det kallas för optisk pincett och belönades med ett Nobelpris i fysik 2018. Nu används i stället en helt ofokuserad stråle, som också hålls stilla genom hela experimentet.

Det som är extra finurligt är att metaytan själv justerar färdrikningen om farkosten stöter på en ojämnhet. Den vrids hela tiden tillbaka i riktningen som bestäms av ljusets polarisering.

Praktiska tillämpningar finns inte ännu. Principen skulle kunna användas för mikroskopiska sensorer eller för att styra mycket små mekaniska system med ljus.