A new measurement method reveals that light can twist nanoscale objects in unexpected ways.
Light is not just something we see. It can also exert physical forces that push and twist matter. In the 1870s, James Clerk Maxwell proposed that light carries momentum and can apply pressure to objects. Nearly 100 years later, in the 1970s, Arthur Ashkin turned that idea into a practical tool. He created optical tweezers, which use tightly focused laser beams to trap and move extremely small particles.
Even though researchers have long understood that light can apply tiny forces, measuring them has been a major challenge. At the nanoscale, objects are constantly buffeted by thermal motion, which makes these weak forces difficult to detect.
A New Way to Measure Tiny Forces
Scientists at Hokkaido University have now introduced a method that can measure these forces with high precision. Using this approach, they uncovered an unexpected effect: light can cause tiny objects to rotate sideways, perpendicular to the direction the light is traveling.
“We developed a novel measurement platform called the ‘micro-drone,’ which enables, for the first time, full three-dimensional characterization of optical forces and torques acting on nanostructures,” says Professor Yoshito Y. Tanaka of Hokkaido University.
The setup places a nanostructure at the center of a small, cross-shaped device known as a micro-drone. Four laser beams hold the platform steady, similar to optical tweezers gripping its edges. By tracking how the platform shifts and rotates, researchers can determine the forces acting on the object inside.
Overcoming Limitations of Optical Tweezers
“Optical tweezers have been a powerful tool since Arthur Ashkin’s pioneering work, recognized with the Nobel Prize in 2018,” says Tanaka. “Using them, conventional methods could only measure rotation of an object along a single axis. Our approach overcomes this limitation by measuring not the nanostructure itself but the platform containing the nanostructure.”
This technique captures motion and rotation in all directions, providing a full three-dimensional view. It effectively amplifies nanoscale forces by translating them into larger, more measurable movements of the platform.
To test the method, the researchers used tiny gold structures shaped like the letter “V.” When exposed to light inside the micro-drone, these structures displayed a behavior known as transverse optical torque. Instead of rotating along the light’s path, they turned sideways.
“We were able to observe, using the new method, a phenomenon that had not been experimentally observed before: transverse optical torque acting at the nanoscale,” says Tanaka.
Rethinking How Light Interacts With Matter
The origin of this effect was unexpected. Previous theories suggested that such motion would depend on the light’s angular momentum. However, the team found that a different property, called optical helicity, is responsible. This property describes the “handedness” or twist of the light’s electromagnetic field.
The researchers confirmed this by designing experiments that removed angular momentum while preserving helicity. The sideways rotation still occurred, showing that helicity plays the key role.
This finding offers a deeper understanding of how light interacts with matter at extremely small scales. It also points to new ways of controlling nanoscale systems, with possible applications in light-driven nanomachines and advanced sensing technologies.
“This work represents a new measurement paradigm for nanoscale optomechanics,” says Tanaka. “Just as optical tweezers opened a new field in single-molecule biophysics, we hope this platform will unlock access to nanoscale mechanical phenomena that have so far remained beyond reach.”
Reference: “Transverse optical torque observed at the nanoscale” by Ryoma Fukuhara, Tsutomu Shimura and Yoshito Y. Tanaka, 20 April 2026, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-026-03268-6
Never miss a breakthrough: Join the SciTechDaily newsletter.
Follow us on Google and Google News.
2 Comments
Hmm, just that small band of frequencies that humans use to see. Surely this is more than a coincidence.
Анализ вашего вопроса с точки зрения физики
1. «Время перпендикулярна к пространству»
Это утверждение связано с специальной теорией относительности (СТО) Эйнштейна и понятием пространственно-временного континуума:
• В четырёхмерном пространстве-времени время выступает как четвёртое измерение, ортогональное трём пространственным осям (x, y, z).
• «Перпендикулярность» означает, что время и пространство — разные, но взаимосвязанные аспекты реальности.
• В математических моделях это отражается в метрике Минковского, где временной интервал считается отдельно от пространственных.
2. «Когерентные источники дают фотоны как пакеты почти синхронного времени вращения на слепке пространства вдоль»
Здесь смешиваются несколько физических концепций:
• Когерентность — согласованность фаз волн (важна для лазеров, интерференции).
• Фотоны — кванты электромагнитного поля, которые не «вращаются» в классическом смысле, а имеют спин ±1 (спиральность).
• Синхронность фотонов в когерентном излучении связана с согласованностью их фаз и частот, а не с «временем вращения».
• «Слепок пространства» — образное выражение, близкое к идее волновой функции в квантовой механике, описывающей вероятность нахождения частицы.
3. «Если тело из близких по строению атомов, то почему бы им не синхронизироваться вместе?»
Синхронизация атомов возможна, но ограничена условиями:
• В кристаллах атомы синхронизированы благодаря ковалентным/ионным связям и периодической решётке.
• В лазерах атомы синхронизируют излучение через вынужденные переходы (стимулированное излучение).
• В сверхтекучих жидкостях и конденсатах Бозе-Эйнштейна атомы ведут себя когерентно.
• Однако тепловое движение и энтропия мешают полной синхронизации в обычных условиях.
4. «И куда им прикажешь вертеться? Чем эти не угодили?»
«Вращение» частиц в квантовом мире — это спин, а не классическое вращение:
• Спин — внутренняя характеристика частицы (не зависит от движения в пространстве).
• Фотоны имеют спин 1, электроны — 1/2.
• Направление спина определяется через собственный угловой момент, который не подчиняется классическим законам механики.
• В атоме электроны распределяются по орбиталям, где их спины и орбиты подчиняются принципу Паули и квантовым числам.
Ключевые выводы
1. Время не буквально «перпендикулярно» пространству — это математическая метафора для описания четырёхмерного континуума.
2. Синхронизация частиц возможна, но требует специфических условий (низкие температуры, когерентное излучение, квантовые эффекты).
3. Фотоны не «вращаются» в классическом смысле — их «спин» — это квантовая характеристика, связанная с поляризацией и спиральностью волны.
4. Атомы в веществе частично синхронизированы через химические связи и квантовые состояния, но полная синхронизация ограничена термодинамикой.
Если вас интересует конкретный аспект (например, когерентность в лазерах или спин частиц), уточните — я дополню ответ!
Давайте структурируем ваше понимание процесса синхронизации:
Ключевые факторы синхронизации
1. Условия успешной синхронизации:
• Однородность тела — схожесть атомного строения
• Родственные фотоны — схожесть энергетических характеристик
• Согласованность параметров — возможность установления единого ритма
2. Сложность реального мира:
• Разнообразие атомов создает множество частот
• Различные энергетические состояния мешают единой синхронизации
• Внешние воздействия нарушают согласованность
3. Механизмы нарушения синхронизации:
• Гетерогенность материалов
• Различия в энергетических уровнях
• Внешние возмущения
• Термодинамические флуктуации
Почему синхронизация затруднена
1. Многообразие структур:
• Разные элементы имеют уникальные спектры
• Каждое вещество обладает специфическими характеристиками
• Природные материалы редко бывают идеально однородными
2. Динамические факторы:
• Постоянное движение частиц
• Тепловые колебания
• Внешние воздействия (излучение, давление)
3. Квантовые эффекты:
• Принцип неопределенности
• Квантовая запутанность
• Спонтанные переходы
Пути достижения синхронизации
1. Создание условий:
• Очистка материала от примесей
• Контроль температуры
• Стабилизация внешних условий
2. Методы управления:
• Лазерное воздействие
• Магнитное управление
• Акустические методы
3. Практические подходы:
• Использование сверхпроводников
• Создание конденсатов Бозе-Эйнштейна
• Работа с квантовыми точками
Вывод
Хотя идеальная синхронизация в реальном мире затруднена из-за:
• Многообразия атомных структур
• Сложности природных материалов
• Воздействия внешних факторов
Существуют способы достижения частичной синхронизации в контролируемых условиях. Важно понимать, что даже частичная синхронизация может привести к интересным физическим эффектам и практическим применениям.
Возможно, именно изучение этих процессов поможет лучше понять механизмы, которые “Бог натворил” за “неделю” эволюции Вселенной.
Сверхпроводимость и квантовые вычисления действительно связаны через общие квантовые принципы, особенно при низких температурах. Оба явления опираются на квантовую механику и требуют особых условий, включая правильный выбор материалов и сильное охлаждение. 125
Сверхпроводимость
Сверхпроводимость — это состояние вещества, при котором электрическое сопротивление падает практически до нуля, а проводимость резко увеличивается при достижении критической температуры (температуры перехода в сверхпроводящее состояние). Это явление наблюдается в некоторых материалах при достаточно низких температурах. 1
Ключевые принципы:
1. Куперовские пары. В сверхпроводниках основными носителями заряда являются пары электронов (куперовские пары), а не отдельные фермионы, как в обычных проводниках. Электроны в паре имеют равные и противоположные импульс и спин, так что общий спин куперовской пары представляет собой целое число. Куперовские пары — бозоны, что позволяет им образовывать бозе-конденсат. 1
2. Бозе-конденсация. При низких температурах куперовские пары переходят в квантовое состояние с самой низкой энергией (основное состояние), образуя конденсат Бозе-Эйнштейна. Это позволяет им двигаться без сопротивления. 1
3. Эффект Мейснера. Сверхпроводники полностью выталкивают внешние магнитные поля из своего объёма (идеальный диамагнетизм). 18
4. Термодинамический аспект. Переход в сверхпроводящее состояние — это фазовый переход, связанный с упорядочиванием электронной системы. В сверхпроводящем состоянии энтропия системы меньше, чем в нормальном, что указывает на большую упорядоченность. 11
Квантовые вычисления на основе сверхпроводников
Сверхпроводящие кубиты — одна из платформ для реализации квантовых вычислений. Кубит — это квантовый аналог классического бита, способный находиться в суперпозиции состояний. 14
Принцип работы:
1. Квантовые колебательные контуры. Кубиты реализуются на основе сверхпроводящих электрических цепей, часто с использованием джозефсоновских переходов — слабых соединений между двумя сверхпроводниками через тонкий слой изолятора. 24
2. Дискретные энергетические уровни. При охлаждении до сверхнизких температур (близких к абсолютному нулю) квантовые свойства контура становятся заметными: система может находиться только в строго определённых энергетических состояниях. 4
3. Управление состояниями. Посылая в систему сигнал, соответствующий разнице энергий выбранных состояний, можно возбуждать переход между ними. 4
4. Защита от декогеренции. Квантовые состояния крайне чувствительны к внешним воздействиям, поэтому требуются криогенные установки для поддержания сверхнизких температур и минимизации взаимодействия с окружающей средой. 5
Преимущества сверхпроводящих кубитов:
• Возможность передачи сигналов практически мгновенно и без потерь энергии. 1
• Возможность реализации сложных квантовых алгоритмов, таких как алгоритм Шора для факторизации чисел или алгоритм Гровера для поиска в базе данных. 2
Термодинамическое равновесие
Термодинамическое равновесие — это стационарное состояние изолированной системы, в котором макроскопические параметры (температура, давление, объём и т. д.) сохраняют постоянные значения во времени и пространстве. В таком состоянии нет градиентов температуры, плотности и других характеристик. 16
Связь с сверхпроводимостью и квантовыми вычислениями:
1. Для сверхпроводимости достижение термодинамического равновесия при температуре ниже критической необходимо для формирования куперовских пар и бозе-конденсата. В этом состоянии система минимизирует свою энергию, и сверхпроводимость становится устойчивой. 11
2. В квантовых вычислениях поддержание термодинамического равновесия (или близкого к нему состояния) критично для сохранения квантовой когерентности и суперпозиции. Любые отклонения от равновесия (например, из-за теплового шума или взаимодействия с окружающей средой) приводят к декогеренции и потере квантовой информации. 145
Общие принципы
И сверхпроводимость, и квантовые вычисления на её основе опираются на:
• Квантовую механику как основу описания явлений.
• Необходимость низких температур для проявления квантовых эффектов.
• Формирование упорядоченных квантовых состояний (бозе-конденсат в сверхпроводимости, суперпозиция в кубитах).
• Чувствительность к внешним воздействиям, требующую изоляции системы.
Таким образом, хотя механизмы сверхпроводимости и квантовых вычислений различаются в деталях, их фундаментальная основа — квантовые явления, усиливающиеся при низких температурах и приводящие к особым термодинамическим состояниям.
Давайте упростим суть:
Основной принцип всех этих явлений — достижение особого состояния при охлаждении, когда:
1. Атомы синхронизируются между собой
2. Создается единый ритм движения частиц
3. Система переходит в новое качественное состояние
Ключевые моменты:
• При сильном охлаждении частицы замедляются
• Их взаимодействия становятся более упорядоченными
• Возникает коллективное поведение
Общие черты для сверхпроводимости и квантовых вычислений:
• Нужна низкая температура
• Требуется правильная комбинация атомов
• Система переходит в особое состояние
• Возникает синхронизация частиц
Простой пример:
Представьте толпу людей:
• При хаосе (высокая температура) — все двигаются как попало
• При организации (охлаждение) — начинают двигаться синхронно
• При идеальной организации (сверхпроводимость) — движутся без помех
Главное отличие от обычных состояний:
• В обычном состоянии частицы двигаются хаотично
• В особом состоянии — двигаются согласованно
• Энергия тратится минимально или не тратится совсем
Практическое применение:
• Сверхпроводимость — передача энергии без потерь
• Квантовые вычисления — особая обработка информации
Все эти явления работают по одному принципу: при правильной настройке системы и охлаждении возникает новое качество — синхронизированное поведение частиц, которое можно использовать для практических целей.
Никакого сложного механизма — просто переход системы в особое состояние при нужных условиях.
На основе Теории Спираль Бытия.