Des scientifiques développent une nouvelle technique pour des pinces optiques sur mesure

Des scientifiques ont mis au point une nouvelle méthode pour piéger les petites particules grâce à la lumière. S’appuyant sur la technique des pinces optiques, récompensée par le prix Nobel (Arthur Ashkin, 2018), une équipe de physiciens dirigée par le Dr David Phillips de l’Université d’Exeter a fait progresser les possibilités du piégeage optique.

Le document de recherche, publié dans la revue Progrès scientifiquess’intitule « Pinces optiques à haut rendement photonique via la mise en forme du front d’onde ».

Les pinces optiques conventionnelles, développées dans les années 1980, sont un faisceau laser étroitement focalisé qui peut attirer et piéger certaines particules ou organismes de taille microscopique, un peu comme si l’on saisissait quelque chose avec une pince à épiler.

« Dans les pinces optiques, la particule n’est pas complètement immobilisée », explique le Dr Une Butaite, premier auteur de l’étude. « Elle subit le mouvement thermique des molécules qui l’entourent. Un peu comme un bateau sur un lac secoué par le vent et les vagues mais empêché de dériver par l’ancre, une particule dans des pinces optiques bouge constamment mais son mouvement est confiné à un certain volume. »

D’une manière générale, plus ce volume de confinement est petit, plus le piège optique est utile.

Pour que les pinces optiques fonctionnent, la lumière laser doit être focalisée avec précision sur une très petite zone, qui peut être considérablement plus petite que la particule piégée. C’est là que réside le problème : si la particule est grosse, la majeure partie de la lumière se trouvera près de son centre, mais la lumière interagit plus fortement avec la particule à sa surface.

En d’autres termes, les particules plus grosses ne sont pas en mesure de tirer le meilleur parti de la lumière disponible, ce qui diminue le niveau de confinement.

« C’est là que nos recherches entrent en jeu », explique le Dr Phillips. « Nous avons émis l’hypothèse que si, au lieu de se concentrer au centre de la particule, la lumière l’enveloppait, celle-ci serait confinée plus étroitement, lui donnant une sorte d’étreinte serrée. »

Déterminer la forme exacte de la lumière qui produirait le confinement le plus fort n’est cependant pas simple.

« Il n’existe pas de solution universelle. Pour obtenir les meilleures performances, chaque particule nécessite une combinaison lumineuse personnalisée », a déclaré le Dr Butaite.

Pour mettre cela en pratique, il a fallu développer et perfectionner diverses méthodes mathématiques et numériques, ainsi que des techniques expérimentales rigoureuses, le tout en collaboration avec des chercheurs de l’Université de Glasgow, dirigés par le Dr Jonathan Taylor (Écosse), et de l’Université de technologie de Vienne, dirigés par le professeur Stefan Rotter (Autriche).