משתמש:Gershonavi/מלקחיים אופטיות

מבוא

מלקחיים אופטיות הינם כלי אשר ביכולתו להפעיל כוח מושך או דוחה ע"י מיקוד לייזר, טכניקה זו ביכולתה לבצע מניפולציה בחלקיקי חומר קטנים ומספקת כלי ייחודי לשליטה בתנועה ובמיקום של חלקיקים אלו. ב-1986 ארתור אשקין פרסם מאמר ⁸ המשך לעבודתו עוד משנת 1969 אשר הראה את הדרך לביצוע לכידה של חלקיק מיקרוני באמצעות מיקוד קרן לייזר בודדה. לתהליך מעין זה קוראים היום מלקחיים אופטיות החידוש היה בשימוש בלייזר יחיד כאשר בעבודתו אשר התחילה ב-1969 נעשה שימוש במספר מקורות לייזר ע"מ להשיג פוטנציאל יציב. בכלי ניסיוני ויחסית חדש זה, מתבצעת מהפכה במדעי הפיסיקה והביולוגיה המאפשרת ביצוע ניסויים חדשניים שבעבר לא התאפשרו.

רקע - הניסוי הראשון – ומלכודות אופטיות

הניסוי בו דווח לראשונה על האפקט בוצע ע"י מדען של מעבדות בל בשם ארתור אשקין, במאמרו ¹ מתאר אשקין ניסוי בו חלקיק חופשי מושהה מואץ ע"י קרינת לייזר באור נראה, הניסוי אשר בוצע על חלקיק מיקרוסקופי הן בנוזל והן בגז השיג הבנה חדשה (1969) על מהותה של הקרינה ולחץ הקרינה בפרט, דבר זה גרם לגילויו של פוטנציאל אופטי יציב בו חלקיק מוחזק באמצעות לחץ הקרינה בלבד. אשקין הבין שעיקרון זה ניתן להרחבה עבור אטומים ומולקולות והצביע על כך במאמרו. אשקין חישב את גודל הכוח המדובר עבור לייזר ארגון והסתבר שמדובר בכוח לא מבוטל: עבור הספק של 1 וואט באורך גל של 0.5145 מיקרו-מטר אשר מפוקס באמצעות עדשה על כדור דיאלקטרי חופשי ברדיוס של 0.5145 מיקרו-מטר (כמו אורך הגל) ובצפיפות של 1 קילוגרם לליטר או 1 גרם למיליליטר (כמו הצפיפות של מים) ניתן לקבל כוח קרינה במקרה זה לפי הנוסחה הבאה:

$F_{rad}={{2qP} \over c}=6.6\times 10^{-5}dyn$

כאשר q מייצג את החלק של האור המוחזר בחזרה ואשקין הניח שהוא מסדר גודל של 0.1. התאוצה המתקבלת מחישוב זה הינה פי $10^{5}$ גדולה מאשר התאוצה הגרביטציונית ושווה ל $1.2\times 10^{8}cm/s^{2}$. אשקין הבין שהשגיאות העיקריות כאשר מבצעים מדידות ללחץ הקרינה נובעות מכוחות תרמיים אשר נוצרים כתוצאה מגראדיאנטים בטמפרטורה אשר מקיפים את האובייקט הנמדד ובאופן כללי נקראים כוחות רדיומטרים כאשר הכוחות נגרמים ע"י אור וגורמים לאובייקט לזוז, האפקט נקרא פוטופורסיס. כוחות אלו הם בדרך כלל בסדר גודל יותר מאשר לחץ הקרינה ולכן למעשה מונעים מדידה של לחץ הקרינה אפילו כאשר משתמשים בלייזר, השגיאה גדולה יותר מלחץ הקרינה. ע"מ להתגבר על בעיות אלו אשקין השתמש בחלקיק ובמדיום "יחסית שקופים", וע"מ להשיג זאת הם השתמשו בכדורי לייטקס קטנים בקוטר 0.59, 1.31 ו-2.68 מיקרו-מטר מונחים בתוך תווך של מים.

הניסוי בוצע כאשר קרן של TEM₀₀ של לייזר ארגון ברדיוס של 6.2 מיקרו-מטר ובאורך גל של 0.5145 מיקרו-מטר ממוקדת אופקית דרך דפנות תא זכוכית בעובי של 120 מיקרו-מטר על החלקיק בודד (ראה תרשים 1 כפי שתואר ע"י אשקין) כאשר ע"מ לראות את ההשפעה הוא השתמש במיקרוסקופ.

תרשים 1

ההשפעה הייתה ברורה, כך שכאשר קרן בעוצמה של מילי-וואטים פגעה בכדור הגדול – 2.68 מיקרו-מטר בצד (לא במרכז) הכדור בצורה ספונטאנית, ללא כל התערבות נראית אחרת, נמשך למרכז הקרן והואץ בכיוון האור ראה תרשים 1. התנועה הייתה מוגבלת למהירות של מיקרונים לשנייה עד אשר החלקיק פגע בדפנות הכלי שם הוא נשאר לכוד בתוך הקרן כאשר הקרן מופסקת הכדור ממשיך לנוע והתנועה נשלטת ע"י תנועה בראונית, הבחנה זו הביאה למערך ניסוי כפול כאשר יש קרינת לייזר כפולה משני הצדדים, מערך כפול זה למעשה דוחף וממרכז את החלקיק משני הצדדים ובכך למעשה לוכד אותו (ראה תרשים 2).

תרשים 2

על מנת להבין לעומק את העקרונות^1,2 העומדים מאחורי אפקט זה ניקח תחילה בחשבון כדור בעל אינדקס שבירה גבוה יותר מהתווך בו הוא נמצא, כאשר קוטרו בסדר גודל של מספר אורכי גל, מונח ליד הציר הראשי של קרן גאוסיאנית ממוקדת בדומה למערך הניסוי שתואר קודם, נסתכל על שתי קרניים טיפוסיות a ו-b פוגעות בכדור באופן סימטרי למרכז O (ראה תרשים 3) אם נזניח החזרות מפני השטח של הכדור (יחסית זניחות), מרבית הקרניים עוברות ונשברות דרך הכדור יוצרות כוחות כדוגמת Fa ו-Fb כוחות אלו יהיו בכיוון השינוי בתנע.

מכיוון שעוצמת הקרניים (a ו-b) שונה, קרןa קרובה יותר למרכז הקרן, ולכן חזקה יותר מאשר קרןb אשר נמצאת רחוק יותר, בגלל שיש מספר זהה של קרניים מטיפוס a ומספר זהה של קרניים מטיפוס זהה לזה של הb אשר פוגעות בצורה סימטרית בכדור, נוכל לבצע סכימה על זוגות של קרניים אלו ואז ניתן להגדיר שני כוחות שקולים: Fscat הינו הכוח הנובע מפיזור ופונה בכיוון הציר הראשי של הלייזר (בכיוון הקרניים) ואת Fgrad

2

${\vec {F}}_{grad}=\sum \limits _{a,b}{(F'_{a}-F'_{b})}$

תיאוריה

ישנן שתי תיאוריות עיקריות המסבירות את הכוחות המאונכים לכיוון התקדמות הקרן כאשר התיאוריות תלויות ביחס בין גודל החלקיק שברצוננו ללכוד, לבין אורך הגל של הלייזר המשמש לצורך זה במלכודת ומהוות בסיס תיאורטי עיקרי לכל סוגי המלכודות, מהמלכודות הפשוטות עד למערכות החדשות והמתוחכמות של המלקחיים האופטיות (קרן אחת). במקרה בו המימדים של החלקיק גדולים יותר מאורך הגל של הלייזר ניתן להשתמש בקירוב הקרניים הקלאסי (”The ray optics approach” -) של האור אך כאשר אנו רוצים להסתכל על חלקיקים הרבה יותר קטנים (אטומים) ואורך הגל הינו גדול יותר מהחלקיק אז ניתן לבצע קירוב דיפול (“The electric dipole approximation”) לחלקיק ולטפל בבעיה בצורה זו.

תרשים 3 הסבר קירוב הקרניים האופטיות. כאשר הכדור מוסט ממרכז הקרן כמו ב-a הקרן בעלת המומנטום הגדול יותר (מסומנת בקו עבה) גורמת לרתע "קלאסי" כתוצאה משימור תנע ולכוח Fnet בכיוון מרכז הקרן, כאשר הכדור נמצא במרכז כמו ב-b הכוח השקול Fnet פונה כתוצאה מהרתע לכיוון מקור הלייזר.

תרשים 4: הבסבר קירוב הקרניים האופטיות. כאשר הכדור מוסט ממרכז הקרן כמו ב-a הקרן בעלת המומנטום הגדול יותר (מסומנת בקו עבה) גורמת לרתע "קלאסי" כתוצאה משימור תנע ולכוח Fnet בכיוון מרכז הקרן, כאשר הכדור נמצא במרכז כמו ב-b הכוח השקול Fnet פונה כתוצאה מהרתע לכיוון מקור הלייזר.

"התיאוריה הקלאסית" – קירוב הקרניים האופטיות

נסתכל עתה על המקרה בו ניתן לטפל בבעיה כקירוב קרניים אופטיות כאשר מימדי החלקיק הינם גדולים מאורך הגל כמתואר בתרשים 4, מכיוון שלאור יש תנע אשר שווה לפי איינשטין למחצית האנרגיה של הקרן, השינוי הנצפה בכיוון החלקיק מצביע על כך שהתבצע שינוי תנע (הכוח שווה לשינוי בתנע) כאשר שינוי זה בתנע נובע מהשינוי הכללי של מהלך הקרן כך שהכדור מקבל תנע שקול בכיוון ההפוך. מרבית המלכודות האופטיות נוצרות באמצעות קרן בעלת פרופיל גאוסיאני, TEM00 mode, כאשר הכדור מוסט ממרכז הקרן (כמו בתרשים 4 -a) על החלקיק פועל כוח (Fnet) המחזיר אותו למרכז הקרן מפני שיותר קרניים בעלות עוצמות גבוהות עוברות קרוב יותר למרכז הקרן ודרך הכדור גורמות לשינוי תנע אשר גבוה יותר מהשינוי בצידו השני של הכדור אשר רחוק יותר ממרכז הקרן, השינוי הכללי בתנע או הכוח השקול (Fnet) מחזיר את החלקיק לכיוון מרכז הקרן שזה למעשה בור הפוטנציאל ומרכז המלכודת האופטית.

כאשר החלקיק ממוקם במרכז הקרן (כמו בתרשים 4-b), אז לכל הקרניים העוברות דרך הכדור בצד אחד יש קרן זהה בעוצמתה אשר עוברת בצידו השני של הכדור או החלקיק, כך שהכוח השקול המאונך לכיוון הקרן מתאפס והכוח השקול (Fnet) יהיה בציר הקרן לכיוון הלייזר (ה"רתע" של הפוטונים היוצאים).

אם ניקח בחשבון את הכוח הנובע מפיזור הקרניים הפוגעות בכדור, Fscat (ראה תרשים 3), אזי מצב שיווי המשקל יהיה לא על המרכז בדיוק, אלא מוסט מעט ויימצא בשיווי משקל בין הכוחות הפועלים כך ש - Fscat יהיה שווה ל Fgrad (Fnet מתרשים 4).

קירוב הדיפול החשמלי

קירוב זה נועד עבור המקרים בהם ניתן להתייחס לחלקיק כחלקיק נקודתי ביחס לאורך הגל הבוחן או במילים אחרות, כאשר גודל החלקיק קטן משמעותית מאורך הגל, כאשר קרן אור פוגעת בחלקיק מסוג זה היא משרה שדה חשמלי, אשר יוצר דיפול חשמלי נקודתי, וזה בתורו מטופל כדיפול נקודתי בשדה לא הומוגני.

את הכוחות הפועלים על הדיפול ניתן לקבל משימוש בכוח לורנץ ושימוש בקירוב הדיפולי כדלקמן:

מניחים שיש שני מטענים הפוכים קרובים מאוד כאשר המרחק ביניהם הינו d ומטענם בערכו המוחלט הינו q, ללא הגבלת הכלליות נניח שהשדה הינו בכיוון x בלבד, כוח לורנץ הינו:

${\vec {F}}=q\left({{\vec {E}}\left(x\right)+{\vec {v}}\times {\vec {B}}}\right)\,\,,{\vec {v}}\,={\frac {dx}{dt}},$

כאשר יש צורך להחליף את השדה החשמלי בשדה של שני חלקיקים נקודתיים קרובים בעלי מטען הפוך (משנה את הסימן של השדה תוך כדי השארת המטען מחוץ לסוגריים):

${\vec {F}}=q\left({{\vec {E}}(x)-{\vec {E}}(x+d)+{\vec {v}}\times {\vec {B}}}\right)\,\,,$

היות ש-d הינו קטן מאוד ניקח אותו להיות dx נפתח בטור טיילור ונקבל:

${\vec {F}}=q\left({{\vec {E}}(x)-{\vec {E}}(x)+(dx\cdot \nabla ){\vec {E}}(x)+{\frac {dx}{dt}}\times {\vec {B}}}\right)$

נשים לב שעבור המקרה הכללי כאשר הדיפול מוסט בכל 3 הצירים x,y,z נקבל את האופרטור $\nabla$ במקום הגזירה הרגילה כפי שקיבלנו במשוואה (5) נזכור ש dx שווה ל-d ונגדיר את הפולריזציה של הדיפול

${\vec {p}}=q{\vec {d}}\,$

נציב ב (5) ונקבל:

${\vec {F}}=q\left({(d{\vec {x}}\cdot \nabla ){\vec {E}}(x)+{\frac {d{\vec {x}}}{dt}}\times {\vec {B}}}\right)=\left({({\vec {p}}\cdot \nabla ){\vec {E}}(x)+{\frac {d{\vec {p}}}{dt}}\times {\vec {B}}}\right)$

כעת נניח שלדיפול החשמלי המושרה יש תלות ליניארית בשדה המשרה

${\vec {p}}=\alpha {\vec {E}}$

נציב בחזרה ב-(7) ונקבל

${\vec {F}}=\alpha \left({({\vec {E}}\cdot \nabla ){\vec {E}}(x)+{\frac {d{\vec {E}}}{dt}}\times {\vec {B}}}\right)$

נשתמש בזהות הווקטורית הבאה:

${\frac {1}{2}}\nabla {\vec {E}}^{2}={\vec {E}}\times (\nabla \times {\vec {E}})+({\vec {E}}\cdot \nabla ){\vec {E}}$

ובחוק פאראדיי מתוך משוואות מקסוואל

$\nabla \times {\vec {E}}=-{\frac {d{\vec {B}}}{dt}}$

נציב את (11) ב-(10) ואת (10) ב-(9) ונקבל

${\vec {F}}=\alpha \left({{\frac {1}{2}}\nabla {\vec {E}}^{2}-{\vec {E}}\times (-{\frac {\partial {\vec {B}}}{\partial t}})+{\frac {d{\vec {E}}}{dt}}\times {\vec {B}}}\right)=\alpha \left({{\frac {1}{2}}\nabla {\vec {E}}^{2}+{\vec {E}}\times {\frac {\partial {\vec {B}}}{\partial t}}+{\frac {d{\vec {E}}}{dt}}\times {\vec {B}}}\right)=\alpha \left({{\frac {1}{2}}\nabla {\vec {E}}^{2}+{\frac {d}{dt}}\left({{\vec {E}}\times {\vec {B}}}\right)}\right)$

כאשר התרומה של האיבר השני מתאפסת, התרומה מתאפסת מכיוון שהיא מייצגת את השינוי של הפוינטינג ווקטור בזמן אשר אומר איך צפיפות האנרגיה משתנה בזמן, כאשר עובדים עם לייזר בעל אנרגיה קבועה אזי הפוינטינג ווקטור קבוע ואינו תלוי בזמן ולכן תרומה זו מתאפסת. כלומר עבור מקור לייזר קבוע נקבל שהכוח תלוי רק בגרדיאנט

${\vec {F}}=\alpha {\frac {1}{2}}\nabla {\vec {E}}^{2}$

ריבוע גודל השדה החשמלי הולך כמו עוצמת הקרן כפונקציה של המקום ועבור קרן גאוסיאנית קשר זה גורם לדיפול בחלקיק, לכן כאשר מטפלים בחלקיק זה כבדיפול נקודתי הכוח הפועל עליו פרופורציוני לגרדיאנט בעוצמת הקרן (גדלה ככל שמתקרבים למרכז הקרן) ולכן החלקיק נמשך לאיזור בו העוצמה גבוהה יותר, יש לזכור שהמציאות איננה מערכת אידיאלית ולכן כמו בקירוב הקלאסי גם כאן יש צורך להתחשב בכוחות הפיזור ושיווי המשקל יתקבל כאשר השניים ישתוו בגודלם.

ריחוף אופטי - מלכודת אופטית באוויר

ההתקדמות הבאה במלכודות אופטיות וניצולה היתה ההדגמה של מלכודת ריחוף אופטי באוויר, תחת התנאים בהם גרביטציה ממלאת תפקיד חשוב^2,5, במלכודת מסוג זה, כמתואר בתרשים 5, חלקיק מיקרוסקופי E בודד מוחזק באמצעות קרן אנכית, כאשר כוחות הגרביטציה והפיזור משתווים כוח הגרביטציה ממלא את מקום הלייזר הנוסף שבניסויים הקודמים איזן את כוח הפיזור באמצעות כוח פיזור מן הצד השני.

ריחוף אופטי - שימושים

כאשר החלקיק לכוד במלכודת זו ומרחף, ניתן לבצע מניפולציות שונות באמצעות פעולה פשוטה של הזזת הקרן, החלקיק יזוז בעקבותיה. אם נכניס למערכת זו קרן נוספת בעלת יכולת ניידות נוכל לבצע מניפולציות במבנה המרחבי של החלקיק. לדוגמא אם אנו גורמים לטיפת מים לרחף אזי הכנסת קרן נוספת לקונפיגורציה זו תוכל ליצור כוחות נוספים אשר ישנו את המבנה המרחבי של הטיפה לאליפסואיד ע"י הפעלת כוחות רוחביים נוספים^2,6. העובדה שניתן ליצור צורות מרחביות מורכבות מחלקיק קטן נותן מערכת אידיאלית לביצוע של פיזור אור, לדוגמא ניתן ליצור צורה של טיפה ולבדוק בתנאי מעבדה ע"י מדידה מדויקת מה הם ההפסדים וההחזרים כתוצאה מקרינה לדוגמת קרינת-מיקרו דבר זה יכול לאפשר תכנון יותר טוב של ציוד התקשורת – סלולרית, לוויינית רדיו וכו' היות ובעיית פיזור מטיפה הינה בסיסית אך קשה לפיתרון מדויק אלא באמצעות תורת הפרעות4. ריחוף של כדורי זכוכית שקופים וחלולים, אשר משתמשים בהם לפעמים לצורך ניסויים בהיתוך ע"י לייזר^2,7. ריחוף של חלקיקים בתנאי וואקום גבוה אפשרי. ע"י שימוש במשוב, ניתן לייצב את החלקיק ולהפסיק תנודות אשר נגרמות ע"י תנודות הקרן. מנגנון זה של המשוב מספק אמצעי לחישוב אוטומטי של כוחות על חלקיקים בגלל שהשינוי בהספק הדרוש ע"מ להחזיק חלקיק במקום מהווה בעקיפין מדידה של השינוי בכוח המופעל. מנגנון זה שימש לצורך מדידה של כוחות חשמליים בטיפות שמן בגירסה מודרנית של ניסוי Millikan oil drop" ^10,2" לצורך מדידה של צמיגות עבור חלקיקים קטנים^9,2, שינויים בכוחות רדיומטרים כפונקציה של הלחץ^8,9,2 ושינוים בכוחות הפיזור כפונקציה של המיקום בסביבת הקרן^9,2 ועוד².

מלקחיים אופטיות

ב-1986 אשקין תיאר את המערכת הבאה⁸,

תרשים 6: בדיאגראמה רואים חלקיק אשר מוחזק ע"י אותם הכוחות אשר תיארנו מקודם, כאשר ההבדל נובע בעדשה החזקה אשר ממקדת את האור בצורה טובה וחזקה יותר, כאשר החלקיק יכול להיות גדול או קטן יותר מאורך הגל.

אשקין דיווח במאמרו⁸ זה על הפעם הראשונה בה נצפה בצורה ניסיונית מלכודת אופטית אשר פועלת באמצעות קרן אחת בלבד (כלומר ללא הפעלת כוח אשר מתנגד ללחץ הקרינה הסטנדרטי אשר דוחף את החלקיק – "כוח הפיזור") במלכודות מסוג זה הכוחות הגרדיאנטים לוכדים את החלקיק כאשר גודלו יכול לנוע בגדלים שונים עד 25 ננומטר (1986), המלכודת פעלה בתוך תמיסת מים. כוחות אלו מדגימים את קיומו של "לחץ קרינה שלילי" או "כוח אחורי" אשר נובע משינוי עוצמת הקרן לאורך החלקיק. אפשרות זו פתחה אופציה להפעלת שיטת המלכודות האופטיות על חלקיקים קטנים כאטומים מולקולות וחלקיקים ביולוגים. כמו כן הוא הציע להשתמש במלכודות אלא לצורך קירור אטומים (ראה בהמשך) שלימים אכן התאפשר ואף קיבלו פרס נובל על טכניקת קירור זו.

תרשים 7: מערך ניסוי פשוט של מלקחיים אופטיות. הקרן מורחבת דרך הטלסקופ הראשון לגודל הדרוש. הטלסקופ השני עוזר בשמירה וכיוון הקרן. קרן מורחבת זו עוברת דרך אובייקט המיקרוסקופ לתוך הדגימה. מערכת זו פשוטה לתכנון ולבניה, ופשטות זו הינה בהחלט אחד היתרונות הגדולים של שיטה זו..

תרשים

בשנים האחרונות, ממשיכי דרכו של אשקין אשר עובדים בעזרת שיטה זו, התרכזו במדידת הכוחות והמיקום הדרוש לדיוק מצוין, בעיקר עבור מערכות ביולוגיות אבל גם אינטראקציות של קולואידים (מערכת שבה חלקיקי חומר נמצאים בתרחיף של חומר אחר) והידרודינמיקה. כמו כן הניסויים התרכזו גם בניסויים מבוקרים על התכונות של קרני האור ואפשרו ספקטרוסקופיה של חלקיק בודד בצורה מבוקרת. בשנים האחרונות התפתחו ואריאציות שונות על המערכת הפשוטה של מלקחיים אופטיות, אשר פתחו מחקרים חדשים שחיזקו את הבנתנו על צורת האינטראקציות של אור עם חומר.

מניפולציה של חלקיקים ואטומים ¹²

אחד הכלים החדשים בתחום מלכודות ומניפולציות מרחביות הינו מניפולציה של חלקיקים ואטומים באמצעות אור המיוצר באמצעים הולוגרפיים.

בתחום זה ישנן שלוש דרכים עיקריות: קומבינציה פשוטה של קרן, טכניקת סריקה וטכניקות הולוגרפיות.

קומבינציה פשוטה של קרן

טכניקה זו סוכמה בצורה מצוינת ע"י פולמן ואקסנר (1997)¹⁰, בטכניקה זו מפצלים אור של לייזר לשתי קרניים. כאשר מבצעים תכנות אופטי מדויק, ניתן לחבר אותם וע"י כך לשלוט באופן בלתי תלוי בכל אחת מהן, וע"י כך לשלוט במישור פיקוס הקרניים לאחר המעבר במיקרוסקופ (העדשה המרכזת). כך למעשה יצרנו מלקחיים אופטיות אשר משתמשים בקרן כפולה. טכניקה זו משומשת בעיקר במחקרים בהם מודדים כוחות שונים.

טכניקת סריקה

טכניקות אלו משתמשות בAODs,

^11,12AOD זה "acousto-optic deflectors" כלומר אמצעי לשליטה על הקרן בדרכים אופטי-אקוסטיים אמצעי זה עובד באמצעות מתמר אקוסטי כאשר מקור הכוח של המתמר נשאר עובד במתח קבוע, כאשר התדירות האקוסטית משתנה ע"מ להסיט את הקרן לזוויות שונות. ה-AOD משתמש בתלות בין זווית הדיפרקציה לתדירות אקוסטית, כאשר השינוי בזווית $\Delta \theta _{d}$ כתלות בשינוי בתדירות $\Delta f$ נתון ע"י

$\Delta \theta _{d}={\frac {\lambda }{\nu }}\Delta f$

כאשר $\lambda$ ו-$\nu$ הם האורך גל האופטי של הקרן באוויר והמהירות של הגל האקוסטי בהתאם.

תרשים 8: בתרשים זה 11 ניתן לראות את אופן הפעולה של מערכת ה AOD כאשר נכנסת קרן ומתפזרת בהתאם לנוסחא-14.

היכולות של כלי זה מתבטאות ביכולות סריקה מנקודה לנקודה (מכאן השם "טכניקת סריקה") אחת הדוגמאות ליכולות האלה הינן האפשרות ליצור יותר ממלכודת אחת¹² באמצעות אופטיקה מתוחכמת ויכולת הסריקה מנקודה לנקודה, הקרן זזה ממלכודת למלכודת במהירות כזו כך שהחלקיק לא מספיק לזוז ממקומו (ע"י תהליכים של דיפוזיה או תנועה בראונית כלשהי) ובכך נשמר החלקיק במקומו בצורה יציבה, בצורה זו ניתן לחקור זמן אופיני של תהליכים אלו בדיוק רב ניתן לראות דוגמא למערכת מסוג זה במאמר ב-Ref. 13.

טכניקות הולוגרפיות¹²

טכניקות אלו משמשות בעיקר על מנת להשיג שליטה תלת מימדית במספר אתרים. הולוגרמה מאפשרות שליטה על הפאזה של קרן הלייזר, אשר קובעת כיצד הקרן תתקדם. כך שע"י החזרה של הלייזר מההולוגרמה ניתן לקבל צורה ספציפית לקרן בהתאם להולוגרמה, הולגרמות מסוג זה ניתן ליצר ע"י שימוש באלגוריתמים מיוחדים המיועדים לשם כך. נושא זה הינו רחב מאוד ומאפשר יצירת מלכודות בעלי מספר רב של אתרי לכידה, סינון ומיון חלקיקים ועוד.

קירור אטומים²

ב 1975 Hansch ו-Schawlow הציעו שזה אפשרי להשתמש בתלות החזקה כתוצאה מאפקט דופלר של כוחות הפיזור במהירות החלקיקים לצורך קירור אטומים. לדוגמא במימד אחד ניתן בעזרת שני קרניים מנוגדות וזהות אשר מכוונים מתחת לסף הרזוננס, כל תנועה לאורך הציר נפגשים עם כוח מנוגד הנובעים מאפקט דופלר חזק של הבליעה (תנועת החלקיק לכיוון הקרן גורמת לכך שהחלקיק מקבל יותר תנע בכיוון המנוגד לכיוון תנועתו במילים אחרות הוא סופג תנע משני הכיוונים אך מכיוון שהוא נע בכיוון הקרן הוא ירגיש כוח פיזור יותר חזק מהקרן שהוא נע לכיוונה). שלושה זוגות של מלכודות כאלה יוכלו למנוע תזוזה בכל הצירים אך יש לזכור שמערכת מסוג זה תצמצם רק את הכוח הממוצע הפועל על החלקיק, היות וישנן תנודות קוונטיות, ישנן סטיות רנדומאליות מהכוח הממוצע אשר נובעות מתהליכי חימום. שיווי המשקל יושג כאשר קצב הקירור האופטי ישתווה לקצב החימום הקוונטי, Letokhov וMinogin היו הראשונים שהעריכו את טמפרטורת שיווי המשקל, הערכה זו התבססה על התנודות שחלים בכוח הפיזור, הם גם היו הראשונים שהציעו שניתן להשתמש בטכנולוגית ששת הקרניים ע"מ ללכוד בצורה יציבה אטומים ע"י הכוחות הגרדיאנטים אך המלכודות הראשונות סבלו מבעיות יעילות.

שיפורים בתחום הושגו כאשר התחילו להשתמש במלקחיים אופטיות (שבהם יש שימוש בקרן אחת ממוקדת היטב) למרות שהמחשבה להשתמש בכלי זה לכאורה נוגדת את האינטואיציה, המלקחיים האופטיות יציבות ביותר בצירים בזכות השליטה של הכוח הגרדיאנטי האחורי לעומת כוח הפיזור הקידמי. מלכודות חדשות מסוג זה דרשו בנוסף קרניים מאוד מדייקות ומכוונות ע"מ לשמור על האטום בטמפרטורה בסדר גודל של קבוע פלנק. 1986 חלה התקדמות משמעותית נוספת אשר אפשרה לכידה וקירור של עננים צפופים של אטומים, התקדמות זו קידמה את ההתעניינות בטכניקות אלו ונוצרו מלכודות אפטיות-מגנטיות גדולות אשר השתמשו בכוח הפיזור. מלכודות חדשות אלו אפשרו שליטה ברוב הפרמטרים הקשורים למלכודות, בשילוב עם טכנולוגית קירור בעלת 6 הקרניים יצרו מלכודות יציבות שלא מפרות את העיקרון של Earnshaw’s שטוען שלא ניתן לאכלס אוסף של מטענים נקודתיים בשיווי משקל סטציונרי אך ורק על ידי האינטראקציות האלקטרוסטאטיות של המטענים אלא צריך קומבינציה של כוחות מגנטים, חשמליים כבידתיים או כמו במקרה זה גם כוחות גרדיאנטים של מלכודות אופטיות.

מלקחיים אופטיות בשירות הביולוגיה²

כמו הרבה תגליות חשובת בעולם, גם כאן ליד המקרה והמזל הייתה יד, כאשר זיהום בקטריאלי התרחש באחד הניסויים^14,2 של אשקין ב-1987, בניסוי זה נלכדה בטעות בקטריה אשר מתה כתוצאה מקרינת הלייזר, אך כאשר עברו לשימוש בלייזר אינפרא אדום (לעומת השימוש בלייזר ירוק) נעשה אפשרי להחזיק את הבקטריה "Esch erichia coli" וכן תאי שמרים למשך שעות בבידוד ולהתבונן בהתרבות התאים בתוך המלכודת. ניסויים אלו הראו את הדרך בה ניתן לשלוט גם בתאים חיים ולבצע מניפולציות מרחביות ללא נזקי קרינה באמצעות השימוש בלייזר באורך גל אינפרא אדום של 1.06 מיקרו-מטר. באופן מדהים המניפולציה הייתה אפשרית גם בתוך התא החי וזאת ללא כל נזק לתאים מלבד עיוותים מבניים קלים כמו כן נצפתה גם התנהגות אלסטית.

עבודות נוספות שנעשו בצמחים הראו יכולות מוניפולציה בחלקיקים בתוך הציטופלזמה (Cytoplasm)(נוזל תוך תאי, תוכן תא אאוקריוטי התחום בתוך ממברנת התא פרט לגרעין התא, הגבול החיצוני של הציטופלזמה הוא קרום התא, המפריד אותה מהסביבה החיצונית ומווסת את מעבר החומרים בינה לבין הסביבה), ע"י הזזת חלקיקים תוך תאיים ניתן לבדוק תכונות אלסטיות וצמיגות. כמו כן יתכנו מעין ניתוחים תוך תאיים ע"י זרימה ויסקו-אלסטית (נספח שתיים) של הציטופלזמה עם זרימה כוללת של אברונים (חלקי התא) גדולים, כאשר ניסויים אלו הוו למעשה את ההתחלה של תחום חדש זה של מלכודות אופטיות בביולוגיה.

בשנים האחרונות אנו רואים אף ניסויים בהם המלכודות האופטיות משמשות לצורך ביצוע מוניפולציות ב DNA כגון חיתוך, הרכבה ומתיחה (תרשים 9).

References

1. A. Ashkin, Acceleration and trapping of particles by radiation pressure, Phys Rev Val 24 No 4
2. A. Ashkin, Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers Proc. Natl. Acad. Sci. USA Vol. 94, pp. 4853–4860, May 1997 Physics
3. en:Optical tweezers
4. P. Barber and C. Yeh, Scattering of electromagnetic waves by arbitrarily shaped dielectric bodies
5. Ashkin, A. & Dziedzic, J. M. (1971) Appl. Phys. Lett. 19, 283–285.
6. Ashkin, A. & Dziedzic, J. M. (1980) Appl. Opt. 19, 660–668.
7. Ashkin, A. & Dziedzic, J. M. (1974) Appl. Phys. Lett. 24, 586–588.
8. Ashkin, Optics Letters,‘Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles’
9. See, for example, M. Kerker, The Scattering of Light(Academic, New York, 1969), p. 37.
10. Fallman, E. & Axner, O. 1997 Design for fully steerable dual-trap optical tweezers. Appl. Opt. 36,2107–2113.
11. On AOD’s http://www.brimrose.com/Index/HomeFile/Products/aoDevices_file/aco_files/aodefl.pdf, en:Acousto-Optic Deflector
12. David Mcgloin, Optical tweezers: 20 years on, Phil. Trans. R. Soc. A (2006) 364, 3521–3537
13. Vossen, D. L. J., van der Horst, A., Dogterom, M. & van Blaaderen, A. 2004 Optical tweezers and confocal microscopy for simultaneous three-dimensional manipulation and imaging in concentrated colloidal dispersions. Rev. Sci. Inst. 75, 2960–2970. (doi:10.1063/1.1784559)
14. Ashkin, A. & Dziedzic, J. M. (1987) Science 235, 1517–1520.
15. http://www.pitb.de/nolting/biophysics_methods/nanobiotech.html
16. en:Sonoluminescence
17. http://www.aip.org/png/html/sono1.htm
18. en:Viscoelasticity
19. en:Transverse mode

מלקחיים אופטיים en:Optical tweezers de:Optische Pinzette es:Pinza óptica fa:انبرک نوری ko:광 핀셋 nl:Optisch pincet ja:光ピンセット ru:Оптический пинцет uk:Лазерні щипці zh:光鑷