2018 wurde Sir Arthur Ashkin für seine bahnbrechenden Arbeiten zu optischen Pinzetten und den zugrunde liegenden Mechanismen der Nobelpreis für Physik verliehen. Er zeigte, dass mikrometergroße Partikel rein optisch in fokussierten Lichtstrahlen eingefangen werden können. Die Partikel spüren beim Eintritt in den Lichtstrahl eine Kraft, die sie in den Bereich höchster Intensität zieht, genau wie Motten, die vom Licht angezogen werden. Diese sogenannten optischen Pinzetten sind für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen im Bereich der Biologie, Medizin und für Mikromaschinen von größter Bedeutung. In diesem Zusammenhang wurden z.B. optische Kräfte verwendet, um die Steifigkeit von Zellen oder die Elastizität von DNA zu vermessen. Bei vielen dieser Experimente ist es entscheidend zu wissen, wo sich das eingefangene Objekt in Bezug auf den Fangstrahl tatsächlich befindet, da es sich in Abhängigkeit von der Griffstärke der Pinzette noch bewegen kann. Der am weitesten verbreitete Ansatz zur Lokalisierung mikroskopischer Objekte relativ zur Falle selbst basiert auf Quadrantendetektoren, die asymmetrische Signale für Positionen außerhalb der Achse aufzeichnen.
Die Teams aus Österreich und Deutschland wählten in ihrer Studie nun einen gänzlich anderen Ansatz. Anstatt das detektierte Licht räumlich in Quadranten zu unterteilen, „teilen“ und analysieren sie das Feld im Polarisationsraum. Mit anderen Worten messen sie die globale Polarisation des Lichts, nachdem es mit dem Teilchen in der Falle interagiert hat. Diese Messung kann mit integrierenden Standard-Detektoren durchgeführt werden, die das Licht sehr schnell verarbeiten können. Das physikalische Phänomen, das dieser Messtechnik zugrunde liegt, ist die inhärente Korrelation zwischen Polarisation und räumlichen Freiheitsgraden im Fokusvolumen. Diese Verknüpfung wird üblicherweise als klassisch verschränkt, klassisch korreliert oder nicht separierbar bezeichnet. Genau diese Korrelation „verschränkt“ den relativen Partikelort mit dem gemessenen Polarisationszustand nach der Wechselwirkung und ermöglicht schließlich eine eindeutige Identifikation der Partikelposition in drei Dimensionen. Die Teams zeigten auch, dass selbst bei Licht, das anfänglich nicht in der Polarisation strukturiert ist, beispielsweise bei einem Standard-Gauß-Laserstrahl, durch den Fokussierungsprozess nicht separierbare Felder in der Fokalebene erzeugt werden. Ferner wiesen sie nach, dass dieser Ansatz Standardtechniken ergänzen oder sogar übertreffen kann.
Diese Ergebnisse zeigen eindrucksvoll, dass strukturiertes Licht nicht nur bei der Formung des Einfangpotentials optischer Pinzetten, sondern auch bei der Messung der zeitlichen Dynamik eingefangener Partikel eine große Rolle spielt.
Dieser News-Artikel sei Sir Arthur Ashkin gewidmet, der zu unser aller Bedauern im September 2020 verstorben ist. Möge er in Frieden ruhen.
S. Berg-Johansen, M. Neugebauer, A. Aiello, G. Leuchs, P. Banzer, C. Marquardt, Microsphere kinematics from the polarization of tightly focused nonseparable light, Opt. Express 29, 12429-12439 (2021); https://doi.org/10.1364/OE.419540
Kontakt: Peter Banzer; Optics of Nano and Quantum Materials (Webseite)
