Sobre as oscilações opto-induzidas em partículas semicondutoras em pinças ópticas

Abstract

Desde os trabalhos iniciais de Arthur Ashikin em 1970, as pesquisas sobre a manipulação de partículas através da técnica de pinças ópticas vem crescendo fortemente. À grosso modo, a técnica de pinças ópticas consiste em um feixe de laser (geralmente operando no modo TEM,9) altamente focalizado por uma objetiva de grande abertura numérica, capaz de aprisionar partículas próxima a região focal. A manipulação de partículas dielétricas e metálicas tem encontrado uma grande aplicação no estudo de processos bioquímicos e biofísicos, indo desde a investigação de parâmetros mecânicos de polímeros orgânicos à complexidade de mecanismos celulares. Com o desenvolvimento de novos materiais, se tornou necessário conhecer o comportamento desses materiais quando manipulados utilizando pinças ópticas. Nosso grupo foi o primeiro a estudar experimentalmente a manipulação óptica de partículas de isolantes topológicos (BipTes e BiçSes), mostrando que tais materiais exibem uma dinâmica oscilatória no plano perpendicular à direção de propagação do laser. Interpretamos o comportamento oscilatório das partículas de isolante topológico como sendo o resultado da competição entre a força de gradiente (sempre atrativa) e a resultante das forças de espalhamento e fotoforética (sempre repulsivas). Nesse trabalho, nós estudamos o comportamento das partículas semicondutoras (silício e germânio) quando manipuladas com pinças ópticas. Nós observamos que em ambos os casos o sistema também exibe dinâmica oscilatória, mostrando que os efeitos das oscilações oticamente induzidas não são uma característica exclusiva dos isolantes topológicos. Além disso, as oscilações das partículas semicondutoras apresentaram um atributo adicional, elas são altamente sensíveis a direção de polarização do laser. Semicondutores ao interagem com o laser podem modificar sua densidade de portadores e consequentemente todas as suas propriedades ópticas. Nós propomos uma generalização do modelo de Ashkin no regime de Rayleigh para contabilizar o efeito da geração de portadores sobre as forças ópticas em partículas semicondutoras. Além disso, nós incluímos o efeito da geração de portadores no modelo efetivo que construímos para interpretar as oscilações nas partículas de isolante topológico. A dependência da polarização foi interpretada como sendo uma consequência da assimetria azimutal do feixe conforme previsto pela teoria de espalhamento Mie. Nós fomos capazes de aprisionar as partículas semicondutoras. As partículas de silício foram aprisionadas no feixe gaussiano quando a altura focal(distância entre o foco e a lamínula) era superior a 43 um. Enquanto que, as partículas de germânio, foram aprisionadas somente quando a armadilha foi modificada e ultilizamos um feixe de Bessel focalizado. No feixe de Bessel as partículas de germânio foram aprisionadas para potências de até 50 mW (medidas na entrada da objetiva), acima de 50 mW a dinâmica oscilatória foi observada, porém, sem a dependência da polarização do feixe. A rigidez da armadilha obtida em ambos os casos foi da ordem de femto-Newton o que habilita o uso das partículas de semicondutores para o estudo onde baixas forças são necessários. Palavras-chave: Pinça óptica. Semicondutores. Osciladores ópticos.

Since the initial work of Arthur Ashkin in 1970, research on particle manipulation through the optical tweezers technique has been growing strongly. In a simplified way, the optical tweezers technique consists of a laser beam (generally operating in TEMoo mode) highly focused by a large numerical aperture objective capable of trapping beads close to the focal region. The manipulation of dielectric and metallic beads has found great application in the study of biochemical and biophysical processes, ranging from the investigation of mechanical parameters of organic polymers to the complexity of cellular mechanisms. With the development of new materials, it became necessary to know the behavior of these new materials when manipulated using optical tweezers. Our group was the first to experimentally study the optical manipulation of topological insulator beads (BizTes e BiçSes), showing that such materials exhibit oscillatory dynamics in the plane perpendicular to the direction of laser propagation. We interpret the oscillatory behavior of topological insulator beads as the result of the competition between the gradient force (always attractive) and the resultant of the scattering and photophoretic forces (always repulsive). In this work, we studied the behavior of semiconductor beads (silicon and germanium) when manipulated by optical tweezers. We observe that in both cases the system also exhibits oscillatory dynamics, showing that the effects of optically induced oscillations are not an exclusive feature of topological insulators. In addition, the oscillations of semiconductor beads presented an additional attribute, they are highly sensitive to the polarization direction of the laser. Semiconductors when interacting with the laser can modify their carrier density and consequently all their optical properties. We propose a generalization of the Ashkin model in the Rayleigh regime to account for the effect of carrier generation on optical forces in semiconductor beads. Furthermore, we included the effect of carrier generation in the effective model we built to interpret oscillations in topological insulator beads. The polarization dependence was interpreted as being a consequence of the azimuthal asymmetry of the beam as predicted by the Mie scattering theory. We were able to trap semiconductor beads. Silicon beads were trapped in the Gaussian beam when the focal height (distance between the focus and the coverslip) was greater than 43 um. Whereas, germanium beads were trapped only when the trap was modified and a focused Bessel beam was used. In the Bessel beam, the germanium beads were trapped for powers up to 50 mW (measured at the entrance of the objective), above 50 mW, the oscillatory dynamics was observed, however, without dependence on the polarization of the beam. The trap stiffness obtained in both cases was of the femto-Newton order, which enables the use of semiconductor beads for the study where low forces are required. Keywords: Optical tweezers. Semiconductors. Optical Oscillators.