Light-driven microdrones

物理 光子 波长 绕固定轴旋转 角动量 极化(电化学) 布朗运动 圆极化 反冲 自由度(物理和化学) 光学镊子 光学力 光学 经典力学 化学 物理化学 量子力学 微带线
作者
Xiaofei Wu,Raphael Ehehalt,Gary Razinskas,Thorsten Feichtner,Jing Qin,Bert Hecht
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:17 (5): 477-484 被引量:65
标识
DOI:10.1038/s41565-022-01099-z
摘要

When photons interact with matter, forces and torques occur due to the transfer of linear and angular momentum, respectively. The resulting accelerations are small for macroscopic objects but become substantial for microscopic objects with small masses and moments of inertia, rendering photon recoil very attractive to propel micro- and nano-objects. However, until now, using light to control object motion in two or three dimensions in all three or six degrees of freedom has remained an unsolved challenge. Here we demonstrate light-driven microdrones (size roughly 2 μm and mass roughly 2 pg) in an aqueous environment that can be manoeuvred in two dimensions in all three independent degrees of freedom (two translational and one rotational) using two overlapping unfocused light fields of 830 and 980 nm wavelength. To actuate the microdrones independent of their orientation, we use up to four individually addressable chiral plasmonic nanoantennas acting as nanomotors that resonantly scatter the circular polarization components of the driving light into well-defined directions. The microdrones are manoeuvred by only adjusting the optical power for each motor (the power of each circular polarization component of each wavelength). The actuation concept is therefore similar to that of macroscopic multirotor drones. As a result, we demonstrate manual steering of the microdrones along complex paths. Since all degrees of freedom can be addressed independently and directly, feedback control loops may be used to counteract Brownian motion. We posit that the microdrones can find applications in transport and release of cargos, nanomanipulation, and local probing and sensing of nano and mesoscale objects.
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