Optical forces in the T-matrix formalism

Le pinzette ottiche, fasci laser fortemente focalizzati, sono uno strumento cruciale per la manipolazione e lo studio senza contatto meccanico di particelle micro- e nanoscopiche di diversa natura. Presentano tantissime applicazioni interdisciplinari ma, solo di recente, si è riusciti a sviluppare una modellizzazione teorica accurata per il range della mesoscala che vada oltre le forti approssimazioni utilizzate per il calcolo delle forze ottiche su particelle molto più piccole (approssimazione di dipolo) o molto più grandi (ottica geometrica) della lunghezza d'onda della luce. In questo ambito di ricerca si inserisce il nostro lavoro di tesi che si basa sull'utilizzo del metodo della matrice di transizione (T-matrix) per il calcolo delle forze ottiche su particelle sferiche e nanofili alla mesoscala. Il formalismo della T-matrix costituisce attualmente uno dei metodi più accurati per il calcolo dello scattering elettromagnetico da particelle non-sferiche, sia isolate che interagenti in strutture composite. L'idea di espandere i campi incidenti e diffusi in armoniche sferiche vettoriali e di connettere i coefficienti di espansione attraverso una matrice di transizione si è dimostrato estremamente efficace anche nell'ambito della modellizzazione delle forze ottiche. In questo lavoro di tesi, abbiamo studiato le forze ottiche su nano e microstrutture intrappolate. In primo luogo, abbiamo studiato la dipendenza delle forze dalle dimensioni di particelle di morfologia sferica e filiformi (nanofili) di polistirene. Successivamente, abbiamo dimostrato per la prima volta come, rompendo la simmetria cilindrica in nanofili di ossido di zinco, possa essere evidenziata una componente di forza non conservativa legata all'elicità della luce e proporzionale al momento lineare di Belinfante. Gli effetti di questa forza ottica trasversa, tradizionalmente ritenuta 'virtuale', sono stati di recente misurati in esperimenti con onde evanescenti e nell'intrappolamento di nanofili.