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Die Forschungsgruppe um Stefan Rotter (2.v.r.) © TU Wien
Die Forschungsgruppe um Stefan Rotter (2.v.r.) © TU Wien

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Wiener Physiker machen optische Pinzetten fit für komplexe Umgebungen

18.11.2019

Optische Pinzetten zur Manipulation winziger Objekte sind unverzichtbare Werkzeuge in vielen Forschungsbereichen von der Physik bis zur Biologie. Ein nun von Physikern der Technischen Universität (TU) Wien im Fachjournal "Nature Photonics" publiziertes Forschungsergebnis könnte dazu beitragen, dass die Methode in Zukunft auch im Inneren komplexer Strukturen eingesetzt werden kann.

Erst vergangenes Jahr wurde der "Vater der optischen Pinzette", der US-amerikanische Physiker Arthur Ashkin, für seine Arbeit mit dem Nobelpreis geehrt. Die von ihm bereits 1970 erstmals vorgestellte Methode beruht darauf, dass Licht auf mikroskopische Objekte eine Kraft ausüben kann, die groß genug ist, um sie zu bewegen beziehungsweise sie in Schwebe zu halten. Dabei kommen in der Regel stark fokussierte Laserstrahlen zum Einsatz, die Objekte wie zum Beispiel Atome und Moleküle aber auch lebende Zellen in Richtung des Brennpunktes des Strahles ziehen und dort festhalten.

Doch die Methode hat auch einen Nachteil: sie funktioniert nur in Umgebungen, die der Laserstrahl ungestört durchdringen kann, in denen das Licht also nicht gestreut wird. Das trifft etwa zu, wenn sich das zu manipulierende Zielobjekt in der Luft oder auch in einer Flüssigkeit befindet. Will man dagegen ein Objekt in einem Medium mit einer komplexen Struktur wie etwa organischem Gewebe erfassen, wird der Strahl gestört und die optische Pinzette kann nicht richtig funktionieren.

Neue Rechenmethode gleicht Streuwirkung aus

Der Forschungsgruppe um Stefan Rotter vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien ist es nun jedoch gelungen, eine Rechenmethode zu entwickeln, mit deren Hilfe die Streuwirkung des Mediums ausgeglichen werden kann. Dazu muss das Zielobjekt mitsamt seiner Umgebung zunächst mit verschiedenen Lichtwellen beleuchtet werden, um aus den gemessen Reflexionen dessen Struktur zu ermitteln. Auf Basis der so gewonnenen Daten wird dann berechnet, wie ein Lichtstrahl aussehen muss, damit er auf seinem Weg zum Zielobjekt durch die Streuung genau so umgeformt wird, dass er dort die Wirkung einer Pinzette entwickeln kann.

In Experimenten mit Mikrowellen, die an der Universität Nizza in Frankreich durchgeführt wurden, wurden die Rechenergebnisse bereits in die Praxis umgesetzt. "Da ging es erst einmal darum, die grundsätzliche Machbarkeit zu demonstrieren", sagt Rotter gegenüber der APA. Das Zielobjekt war in diesem Fall zwar noch viel zu groß, um es tatsächlich in Bewegung versetzen zu können. Die Messungen bestätigten jedoch die berechneten Wellenformen.

Rotter zufolge arbeitet seine Gruppe gemeinsam mit einem britischen Forscherteam bereits daran, die Ergebnisse auf ein Experiment mit sichtbarem Licht zu übertragen. Dabei sollen dann erstmals mikroskopische Objekte bewegt werden, die sich hinter einer streuenden Schicht verbergen. "Letztendlich ist die Zukunftsvision, ein System zu entwickeln, das sich in Echtzeit auch auf veränderliche Umgebungen wie etwa lebendes Gewebe einstellt und immer die optimale Wellenform für die Pinzette erzeugt", sagt Rotter.

Service: http://dx.doi.org/10.1038/s41566-019-0550-z

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