Az optikai csipeszek (eredeti nevén egysugaras gradienserő-csapda) olyan tudományos eszközök, amelyek erősen fókuszált lézersugarat használnak mikroszkopikus és ezeknél is kisebb objektumok (például atomok, nanorészecskék) megtartására és mozgatására, a csipeszhez hasonló módon. Amikor egy tárgyat, csakis fény segítségével, bármiféle alátámasztás nélkül, levegőben vagy vákuumban lebegve tratunk, azt optikai levitációnak nevezzük.

A lézerfény vonzó vagy taszító erőt biztosít (jellemzően piconewton nagyságrendű), a részecske és a környező közeg közötti relatív törésmutatótól függően. A levitáció akkor lehetséges, ha a fény ereje ellensúlyozni képes a részecskére ható gravitációs erőt. A befogott részecskék általában mikron méretűek, vagy még kisebbek. A dielektromos és abszorbeáló részecskék is csapdázhatók.

Az optikai csipeszeket használják a biológiában, biofizikában például egyetlen baktérium, egyetlen sejt (pl.: vérsejt, vagy hímivarsejt) vagy egy molekula, például DNS megragadására, megtartására és esetleg mozgatására. Az optikai csipesz segítségével a kutatók képesek a vírusok, baktériumok és más élő sejtek vizsgálatára és manipulálására anélkül, hogy közben károsítanák őket. Arthur Ashkin az optikai csipesz kifejlesztéséért elnyerte a 2018-as fizikai Nobel-díjat.

Története és fejlődése Az optikai szórás- és a gradienserők mikronméretű részecskéken történő észleléséről 1970-ben számolt be először Arthur Ashkin, a Bell Labs tudósa. Évekkel később Ashkin és munkatársai először számoltak olyan jelenségek megfigyeléséről, amit ma optikai csipesznek neveznek: egy nagyon erősen fókuszált fénysugár képes a mikroszkopikus részecskéket három dimenzióban stabilan megtartani. 2018-ban Ashkin fizikai Nobel-díjat kapott ezért a fejlesztésért.

Ennek az 1986-os alapvető tanulmánynak az egyik szerzője, Steven Chu a továbbiakban optikai csipeszt használt a semleges atomok hűtésére és befogására. Ezzel a kutatással érdemelte ki Chu 1997-ben a fizikai Nobel-díjat Claude Cohen-Tannoudjival és William D. Phillipsszel együtt.Hill, Murray (November 1987). "He wrote the book on atom trapping". Retrieved June 25, 2005.Interview conducted for internal newsletter at Bell Labs. Contains confirmation of Ashkin as the inventor of optical trapping and provides information on the 1997 Nobel Prize in Physics. Steven Chu egy interjúban elmondta, hogy Ashkin először képzelte el hogyan lehet az optikai csipesz az atomok befogásának eszköze, módszere."Conversations with History: An Interview with Steven Chu" (2004), Institute of International Studies, UC Berkeley. Last accessed on September 2, 2006. Ashkin képes volt befogni nagyobb, 10-10 000 nanométer átmérőjű részecskéket, de Chu feladata volt kiterjeszteni ezeket a technikákat a kisebb, 0,1 nanométer átmérőjű, semleges atomok befogására, rezonáns lézerfény és mágneses gradienscsapda segítségével (vö. Mágneses-optikai csapda).

Az 1980-as évek végén Arthur Ashkin és Joseph M. Dziedzic bemutatta a technológia első alkalmazását a biológiai tudományokban, egy-egy dohánymozaikvírus, illetve Escherichia coli baktérium csapdázására használva azt. Az 1990-es években és azután olyan kutatók, mint Carlos Bustamante, James Spudich és Steven Block úttörő szerepet játszottak az optikai csapda erő-spektroszkópiájának alkalmazásában a molekuláris léptékű biológiai motorok jellemzésére. Ezek a molekuláris motorok mindenütt jelen vannak a biológiában, és felelősek a sejten belüli mozgásért és mechanikai hatásokért. Az optikai csapdák lehetővé tették ezeknek a biofizikusoknak, hogy megfigyeljék, tanulmányozzák a nanoméretű motorok erőit és dinamikáját, molekuláris szinten. Az optikai csapda erő-spektroszkópia segítségével, azóta jobban értjük ezen erőgeneráló molekulák sztochasztikus természetét.

Az optikai csipeszek a biológia más területein is hasznosnak bizonyultak. A szintetikus biológiában mesterséges sejtek szövetszerű hálózatainak felépítésére, valamint szintetikus membránok összeolvasztására használják őket biokémiai reakciók elindításához is. Széles körben alkalmazzák genetikai vizsgálatokban, valamint a kromoszómaszerkezettel és -dinamikával kapcsolatos kutatásokban is. 2003-ban az optikai csipesz technikáját alkalmazták a sejtválogatás területén; a mintaterületen nagy optikai intenzitású mintázat létrehozásával a cellák belső optikai jellemzőik szerint rendezhetők.Koss BA, Grier DG, "Optical Peristalsis" Optikai csipeszeket is használtak a citoszkeleton vizsgálatára, a biopolimerek viszkoelasztikus tulajdonságainak mérésére és a sejtmozgás vizsgálatára. 2011-ben flevetették egy olyan biomolekuláris assay ötletét, amelyben a ligandummal bevont nanorészecskéket a célmolekulák által kiváltott klaszteresedés után optikailag csapdázzák és detektálják, ezt 2013-ban kísérletileg demonstrálták

Néhány egyéb eredmény.

2001-ben egyetlen atomot csapdáztak, 2010-ben sikerült csapdázni erősen kölcsönható, összefonódott párokat 2016-ban nagy pontosságot értek el kétdimenziós atomsorokkal, valamint sikerült 3-dimenziós atomrendszereket összeállítani 2018-ban Ennek a technikának segítségével, kvantumszimulátorokban sikerült létrehozni 196 és 256 atomból álló programozható tömböket 2021-ben

A 2001-ben kísérletileg igazolták a Kapitsa–Dirac effektust (kvantummechanikai jelenség, az anyag fény-állóhullámon való elhajlása, diffrakciója). Fényhullámokat használtak egy részecskenyaláb manipulására (mozgatására).

A kutatók azon is dolgoztak, hogy az optikai csipeszeket nagy, összetett műszerekből kisebb, egyszerűbb eszközökké alakítsák át, hogy azokat a kisebb kutatási költségvetéssel rendelkezők is használhassák.

Fizika alt=|bélyegkép|250x250px| A dielektromos tárgyak a fénynyaláb közepéhez vonzódnak, valamivel a dereka (legkeskenyebb része) felett, a szövegben leírtak szerint. A tárgyra kifejtett erő lineárisan függ a csapda középpontjától (az egyensúlyi helytől) mért elmozdulástól, mint egy egyszerű rugó esetén.

Ez egy visszatérítő erő (ezért negatív előjelű) F= .

Általános leírása Az optikai csipeszek képesek nanométer és mikron méretű dielektromos részecskék manipulálására, rendkívül kis erők kifejtésével egy jellemzően mikroszkóp objektívvel erősen fókuszált lézersugár segítségével. A fókuszált sugár legkeskenyebb pontja, az úgynevezett nyalábnyak, nagyon erős elektromos tér gradienst tartalmaz. A dielektromos részecskék a gradiens mentén vonzódnak a legerősebb elektromos tér tartományához, amely a nyalábnyak középpontja. A lézerfény (toló) erőt fejt ki a nyalábban lévő részecskékre a fény terjedésének irányában is. Ez az impulzus megmaradásának köszönhető: az apró dielektromos részecske által elnyelt vagy irányukat megváltoztatni kényszerülő (szóródó) fotonok lendületet adnak az ezt kiváltó dielektromos részecskének. Ezt szóróerőnek nevezzük és azt eredményezi, hogy a részecske enyhén kimozdul a nyalábnyakból, az ábrán lefelé. Ezért csak átlátszó, a lézerfényt el nem nyelő részecskéket lehet eredményesen csapdázni.

Az optikai csapdák nagyon érzékeny eszközök, képesek a nanométernél is kisebb elmozdulások manipulálására és kimutatására szubmikronos dielektromos részecskék esetén. Emiatt gyakran használják egyedi molekulák manipulálására és tanulmányozására az adott molekulához kapcsolt mikrogyöngyökkel való kölcsönhatás révén. A DNS-t és a fehérjéket és a vele kölcsönhatásba lépő enzimeket általában ilyen módon tanulmányozzák.

Kvantitatív tudományos méréseknél a legtöbb optikai csapdát úgy használják, hogy benne a dielektromos részecske csak ritkán mozdul ki, a csapda középpontjától messzebbre. A részecskére kifejtett erőre ugyanis csak kis elmozdulások esetén igaz az, hogy egy egyszerű rugóhoz hasonlóan működik, követve a Hooke-törvényt.

Részletes leírás Az optikai csapdázás megfelelő magyarázata függ a befogott részecske méretének és a csapdázáshoz használt fény hullámhosszához viszonyától. Azokban az esetekben, amikor a részecske méretei sokkal nagyobbak, mint ez a hullámhossz, a viselkedést elegendően magyarázza egy egyszerű sugároptikai közelítés. Ha a fény hullámhossza messze meghaladja a részecske méreteit, akkor a részecskék elektromos térben levő elektromos dipólusnak kell tekintenünk. A csapdázó fény hullámhosszának nagyságrendjén belüli méretű dielektromos részecskék optikai csapdázásának az egyetlen pontos modellje az időfüggő, vagy időharmonikus Maxwell-egyenletek a megfelelő határfeltételek alkalmazásával.

Sugároptikai magyarázat jobbra|bélyegkép|250x250px| Sugároptika magyarázat (fókuszálatlan lézer). Amikor a gyöngy (golyócska) elmozdul a sugár középpontjától (jobb oldali kép), az intenzívebb sugarak nagyobb impulzusváltozása a lézernyaláb közepe felé mutató, visszatérítő erőt eredményez. Ha a gyöngy oldalirányban épp a nyaláb közepén van (bal oldali kép), a keletkező oldalirányú erő nulla. De a fókuszálatlan lézer továbbra is a lézertől elfelé mutató (taszító) erőt eredményez. jobbra|bélyegkép|250x250px| Sugároptika magyarázat (fókuszált lézer). A fókuszált lézer a gyöngyöt nemcsak vízszintesen, a lézernyaláb közepén, hanem, függőlegesen is fix helyzetben tartja: A fókuszált sugarak lendületváltozása erőt fejt ki a gyöngyre a lézerfókusz felé, akkor is, ha a gyöngy elöl (balra oldali kép) vagy a lézerfókusz mögött (jobb oldali kép) van. Így a gyöngy kissé a fókusz mögött marad, ahol ez az erő kompenzálja a szóróerőt (ami a gyöngyöt eltolni igyekszik), ahogy ez a baloldali ábrán látható. Azokban az esetekben, amikor egy befogott részecske átmérője lényegesen nagyobb, mint a fény hullámhossza, a csapdázás jelensége sugároptikával magyarázható. Amint az ábrán látható, a lézer által kibocsátott egyedi fénysugarak megtörnek a dielektromos gyöngybe való be- és kilépéskor. Ennek eredményeként a sugár nem abban az irányban lép ki, mint amelyikből érkezett. Mivel a fényhez lendület kapcsolódik, irányváltozása az általa elszenvedett lendületváltozást is jelenti egyben. Newton harmadik törvénye miatt a fény ekkor ezzel egyenlő nagyságú, de ellentétes irányú lendületváltozást okoz az ő lendületét megváltoztató részecskén, a mikrogyöngyön.

A legtöbb optikai csapda Gauss-nyaláb (TEM 00 mód)http://titan.physx.u-szeged.hu/~bubo/Lezerfizika/book.html#id321984 intenzitás profillal működik. Ebben az esetben, ha a részecskét elmozdítjuk a nyaláb közepétől, mint az ábra jobb oldalán, a részecskét az eredő erő visszaviszi a csapda közepébe, mert a csapda közepében az intenzívebb nyalábok nagyobb lendületváltozást okoznak rajta, mint a kevésbé intenzív nyalábok, a csapda középpontjától távolodva. Az eredő impulzusváltozás vagy erő visszaviszi a részecskét a csapda középpontjába.

Ha a részecske a sugár közepén helyezkedik el, akkor az egyes fénysugarak szimmetrikusan törnek meg a részecskén, így nincs oldalirányú eredő erő, ebben az esetben az csak a csapda tengelyirányában van, ami kioltja a lézerfény szóró (taszító) erejét. Annak köszönhető, hogy a részecske kissé a nyalábnyak után csapdázódik, hogy a tengelyirányú gradiens erő és a szóró (taszító) erő itt oltják ki egymást.

A standard csipesz a gravitáció irányában terjedő csapdázólézerrel működik,Lynn Paterson "Novel micromanipulation techniques in optical tweezers", (2003) a fordított csipesz pedig a gravitáció ellen.

Elektromos dipólus közelítés Azokban az esetekben, amikor egy befogott részecske átmérője lényegesen kisebb, mint a fény hullámhossza, a Rayleigh-szórás feltételei teljesülnek, és a részecske pontdipólusként kezelhető egy inhomogén elektromágneses térben. Az elektromágneses térben egyetlen töltésre kifejtett erőt Lorentz-erőnek nevezik,

A dipólusra ható erőt úgy számíthatjuk ki, hogy a fenti egyenletben az elektromos mezőt két taggal helyettesítjük, minden töltésre egyet. A dipólus polarizációja az ahol a két töltés közötti távolság. Pontdipólus esetén ez a távolság végtelenül kicsi (infinitezimális), Figyelembe véve, hogy a két töltés ellentétes előjelű, az erőre ez adódik:

Vegyük észre, hogy a kiesik. Megszorozva a töltést, az távolsággal a polarizációt kapjuk