Fotônica, Pinças Ópticas e Nano-jatos

Pinças ópticas foi uma das últimas técnicas a receber o prêmio Nobel em Física em 2018. Metade do prêmio foi para o inventor Arthur Ashkin, com apenas 93 anos de idade. A técnica de pinças ópticas é mais uma ferramenta de espectroscopia de força em escala nanométrica, assim como o microscópio de força atômica, porém com uma série de vantagens. Comparando com o microscópio de força atômica, a pinça possui uma constante elástica da armadilha mais mole, isto permite investigar materiais moles (softmatter), é possível ter mais de uma armadilha em razoável proximidade e inclusive realizar medidas no interior de células.

Para operar a pinça óptica como um microscópio de força, em geral uma microesfera é utilizada como transdutor de força, cujos valores são calibrados utilizando protocolos específicos. Do ponto de vista teórico, é possível conhecer esta força exatamente. Em geral, aproximações são utilizadas para quando a esfera for muito menor ou maior que o comprimento de onda da luz do laser da armadilha. Porém na maioria das vezes a esfera é da mesma ordem que o comprimento de onda do laser, e neste caso um tratamento rigoroso usando o electromagnetismo é o único caminho. Este procedimento é tratado como muito complexo ou bastante trabalhosos por muitos, por isto fomos recentemente convidados a publicar um tutorial, com aspecto didático, de como realizar estas contas passo-a-passo na revista Journal of the Optical Society of America B.

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Caso esteja interessado em conhecer mais sobre a Pinça Óptica e o Nobel da Física de 2018, tem um vídeo recente disponibilizado no Youtube durante a Física ao Entardecer no IFT-Unesp.

Acesse Analytical calculation of optical forces on spherical particles in optical tweezers: tutorial




 Um nanojato fotônico é uma região estreita e alongada de alta intensidade localizada no lado não iluminado de um micro cilindro ou micro esfera dielétrica. A produção e manipulação de nanojatos fotônicos, vem ganhando importância na ultima década, principalmente para aplicação em técnicas de ultra-microscopia, utilizando sua resolução abaixo do critério de Rayleigh para melhorar a detecção e a interação com a matéria. Exemplos de aplicações são: Aumento do limiar de detecção: Retroespalhamento aprimorado, melhoramento de dois fótons, aumento de até cinco vezes da fluorescência de uma unica molécula. Nano-gravuras: limpeza a seco com laser, gravação em superfície, armazenamento óptico de dados.

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Nano jato produzido por um feixe (633nm) altamente focalizado que atravessa uma microesfera de poliestireno (2 micrômetros) em água.

Para estas novas aplicações a pinça óptica é uma ferramenta ideal para empregar esses nanojatos, pois herdaria as vantagens de micro posicionamento de uma pinça óptica. As pinças ópticas tiveram seu desenvolvimento logo apos a invenção do laser. O laser é composto por fótons que possuem momento linear, e estes podem trocar esta quantidade de movimento quando espalhado por um objeto. Dado o alto fluxo de fótons presente nos lasers, estes são essenciais para um instrumento de pinça óptica. O pinçamento se dá por conservação do momento linear do sistema fótons-microesfera. As pinças ópticas atuais, são constantemente empregadas nos campos da biologia, física e química. Prendendo e posicionando objetos mícron ou nanométricos perto do foco de um feixe de laser.

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Acima: Ilustração de uma microesfera pinçada opticamente, cujo nanojato fotônico é utilizado para sensibilizar uma superfície (fotolitografia). Os nanojatos são geralmente gerados com um onda plana incidente, porem em uma pinça o feixe é altamente focalizado. Apresentado pela primeira vez, REF, uma analise e esquema detalhado para aprisionar uma microesfera dielétrica, a partir de um par de pinças ópticas configuradas de maneira colineares e co-propagantes, e com um controle de liga-desliga do nanojato. Os nanojatos assim controlados podem manipular moléculas ou nano partículas, alem de utilizar o nanojato como ponta para desenhar em escala nanométricas sobre uma superfície. Mais detalhes no artigo recentemente publicado pelo Prof.  Antonio Alvaro Ranha Neves intitulado “Photonic nanojets in optical tweezers“.