Bagaimanakah Cahaya Boleh Memegang Objek?

Cahaya kelihatan tidak memberi tolakan yang ketara kepada objek harian kerana daya yang dihasilkannya biasanya sangat kecil. Pada skala mikroskopik, keadaan berubah. Pancaran laser yang difokuskan dengan teliti boleh menghasilkan daya yang cukup untuk memerangkap zarah kecil, sel dan bahkan atom, dan teknik ini dikenali sebagai pinset optik.

Cahaya boleh mengenakan daya

Apabila cahaya dipantulkan, diserap atau dibiaskan, momentumnya berubah, dan perubahan momentum bagi setiap unit masa bermaksud terdapat daya. Fenomena ini dikenali secara umum sebagai tekanan sinaran, dan ia bukan sekadar idea teori. NIST menggunakan tekanan sinaran laser dalam sistem metrologi untuk mengukur kuasa laser sehingga aras kilowatt dengan mengukur daya yang dikenakan oleh cahaya. Bagi pinset optik, daya yang diperlukan jauh lebih kecil kerana objek sasaran juga sangat kecil.

Bayangkan satu sinar laser melalui manik lutsinar. Oleh sebab indeks biasan manik berbeza daripada medium sekeliling, cahaya dibiaskan dan arah momentumnya berubah, maka pemuliharaan momentum menghendaki manik menerima perubahan momentum dalam arah bertentangan.

Mengapa laser perlu difokuskan?

Pancaran laser untuk pinset optik biasanya tidak mempunyai keamatan yang sama pada seluruh keratan rentasnya. Dalam pancaran Gaussian yang lazim, bahagian tengah lebih kuat daripada bahagian tepi. Bagi zarah yang indeks biasannya lebih tinggi daripada medium sekeliling, apabila zarah berada sedikit di luar pusat pancaran, cahaya pada satu sisinya lebih kuat daripada sisi yang lain, dan pembiasan cahaya pada zarah menghasilkan daya bersih yang menarik zarah ke kawasan keamatan lebih tinggi berhampiran fokus. Komponen ini disebut daya kecerunan.

Pada masa yang sama, pemindahan momentum daripada cahaya turut menghasilkan daya serakan yang secara umum menolak zarah mengikut arah perambatan pancaran. Untuk perangkap tiga dimensi yang stabil, daya kecerunan sepanjang paksi perlu cukup kuat untuk mengatasi kecenderungan daya serakan menolak zarah keluar daripada fokus. Memfokuskan laser dengan ketat menghasilkan kecerunan medan yang besar dan membantu memenuhi keadaan ini.

Perangkap seperti spring, tetapi bukan spring sebenar

Apabila zarah yang terperangkap dialihkan sedikit daripada kedudukan keseimbangan, daya optik boleh menariknya kembali ke arah pusat perangkap. Bagi sesaran kecil, perangkap sering boleh dihampiri seperti spring, iaitu F ≈ −kx, dengan F daya pemulih, x sesaran daripada kedudukan keseimbangan dan k kekakuan perangkap optik. Dalam rejim ini, daya pemulih berkadar dengan sesaran zarah daripada pusat perangkap.

Ini ialah model hampiran, bukan dakwaan bahawa terdapat spring fizikal di dalam cahaya. Apabila sesaran menjadi besar atau keadaan optik berubah, hubungan daya dengan kedudukan tidak semestinya kekal linear, dan NIST telah membangunkan kaedah pengukuran daya optik yang tidak terhad kepada anggapan daya linear bagi sesaran kecil.

Bukankah zarah sentiasa bergerak kerana suhu?

Ya. Zarah mikroskopik yang terampai dalam cecair mengalami gerakan Brown, iaitu gerakan tidak teratur akibat perlanggaran dengan molekul medium. Oleh itu zarah dalam pinset optik biasanya tidak duduk tepat dan diam pada satu titik, tetapi terus berayun secara rawak di sekitar kedudukan keseimbangan, sementara daya pemulih optik cenderung menariknya kembali apabila ia menyimpang. Gerakan ini bukan gangguan yang perlu sentiasa dibuang, kerana dengan menjejaki kedudukan zarah dan mengetahui kekakuan perangkap, penyelidik boleh menggunakan zarah sebagai penderia daya yang sangat kecil.

Seberapa kecil daya yang boleh dikaji?

Daya dalam sistem biologi molekul boleh berada pada skala pikonewton, iaitu 10⁻¹² N. Sebagai contoh, dalam eksperimen motor molekul kinesin, motor itu mengambil langkah sekitar 8 nanometer sambil melawan daya kira-kira 5 pN dalam perangkap optik. Pinset optik dengan itu bukan hanya alat untuk memegang benda, kerana kedudukan zarah boleh berfungsi sebagai pembaris daya. Jika sesuatu molekul menarik manik keluar dari pusat perangkap, magnitud sesaran itu boleh digunakan untuk menganggarkan daya yang dikenakan apabila perangkap telah ditentukur.