[論文レビュー] Optical Tweezers: A Comprehensive Tutorial from Calibration to Applications

Jan Gieseler, Juan Ruben Gomez-Solano+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2020

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 292被引用数 11

ひとこと要約

この包括的なチュートリアルは、光学トランプのキャリブレーションと、物理学、生物学、ナノテクノロジー分野への応用について段階的なガイドを提供する。キャリブレーション技術として、等分配則や平均二乗変位（MSD）、ベイズ推論を含む手法を詳細に説明し、単一分子力学、マイクロレオロジー、真空中での浮上粒子系への応用を示し、パラメトリックフィードバックによるミリケルビン冷却を達成する。

ABSTRACT

Since their invention in 1986 by Arthur Ashkin and colleagues, optical tweezers have become an essential tool in several fields of physics, spectroscopy, biology, nanotechnology, and thermodynamics. In this Tutorial, we provide a primer on how to calibrate optical tweezers and how to use them for advanced applications. After a brief general introduction on optical tweezers, we focus on describing and comparing the various available calibration techniques. Then, we discuss some cutting-edge applications of optical tweezers in a liquid medium, namely to study single-molecule and single-cell mechanics, microrheology, colloidal interactions, statistical physics, and transport phenomena. Finally, we consider optical tweezers in vacuum, where the absence of a viscous medium offers vastly different dynamics and presents new challenges. We conclude with some perspectives for the field and the future application of optical tweezers. This Tutorial provides both a step-by-step guide ideal for non-specialists entering the field and a comprehensive manual of advanced techniques useful for expert practitioners. All the examples are complemented by the sample data and software necessary to reproduce them.

研究の動機と目的

• 光学トランプ技術の初心者および専門家向けに、包括的でアクセスしやすいチュートリアルを提供すること。
• 正確な力および位置測定に不可欠なキャリブレーション手法を体系化し、比較すること。
• 単一分子および単一細胞力学、マイクロレオロジー、統計物理学分野における最先端の応用を示すこと。
• 高真空中における光学トランプの特異な力学的挙動とキャリブレーションの課題、特にパラメトリック冷却および量子領域への展望を検討すること。
• チュートリアル内のすべての例について、サンプルデータおよびソフトウェアを提供することで、再現性を確保すること。

提案手法

• 捕獲粒子の運動の時系列解析を用いて、等分配則、平均二乗変位（MSD）、パワースペクトル密度（PSD）法によるキャリブレーションを実施。
• 最大尤度推定法（FORMA）およびベイズ推論を用いて、頑健な力およびノイズ推定を実施。
• 真空実験におけるアクティブキャリブレーション技術として、サイドバンド熱力学測定および電荷キャリブレーションを採用。
• パラメトリックフィードバック冷却および位相ロックドループ（PLL）冷却を導入し、真空中でサブミリケルビン温度を達成。
• ホログラムおよび干渉計的光学トラップを用いて、マルチパーティクル操作および構造化光場を実現。
• フィードバック制御を用いて、高真空中での浮上粒子の安定化および熱的・レーザー雑音の低減を実現。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 液体および真空中の多様な実験条件下で、光学トランプをどのように正確にキャリブレーションできるか。
• RQ2 ピコニュートンおよびフェムトニュートンスケールの力測定に最も信頼性が高く正確なキャリブレーション手法は何か。
• RQ3 光学トランプを用いて、高分解能で単一分子および単一細胞の機械的性質をどのようにプローブできるか。
• RQ4 真空中での浮上粒子の強力な冷却および量子制御を達成するための主な課題と解決策は何か。
• RQ5 複雑な光場および粒子の幾何学的形状が、先進的応用における光学捕獲および力測定にどのように影響を与えるか。

主な発見

• 等分配則法およびMSD解析は、液体環境における信頼性の高いキャリブレーションを提供し、頑健性を確保するための誤差解析およびフィッティング手順が明示されている。
• ベイズ推論およびFORMAは、保存力でない力や複雑なノイズが存在する状況でも、正確な力再構成を可能にする。
• PLLを用いたパラメトリックフィードバック冷却により、すべての3つの並進自由度でミリケルビン温度（n < 100）を達成し、サブミリケルビン冷却が実証された。
• サイドバンド熱力学測定により、浮上粒子の内部温度を高精度で測定でき、これは量子制御にとって不可欠である。
• 真空中の光学浮上は、非減衰的ダイナミクスの研究を可能にし、基底状態冷却および非古典的状態への道筋を開く。
• 構造化光およびホログラムトランプの統合により、複雑なポテンシャル・ランドスケープおよび集団的粒子ダイナミクス（光学結合を含む）を実現できる。