光ピンセット
微粒子が光の波長よりも顕著に小さいとき、レイリー散乱の条件を満たす。微粒子は電場における点双極子とみなし、微粒子にはローレンツ力が加わる。
F = q ( E + d x d t × B ) . {\displaystyle {\boldsymbol {F}}=q\left({\boldsymbol {E}}+{\frac {d{\boldsymbol {x}}}{dt}}\times {\boldsymbol {B}}\right).}
双極子にかかる力は電場に2電荷を代入することによって算出できる。双極子の分極はp = q d となり、ここでd は2電荷の距離を指す。点双極子において、差 dx は無限小をとる。2電荷が反対の符号を持っていることを考慮すると、力は次のようになる。
F = q ( E 1 ( x , y , z ) − E 2 ( x , y , z ) + d x d t × B ) {\displaystyle {\boldsymbol {F}}=q\left({\boldsymbol {E}}_{1}\left(x,y,z\right)-{\boldsymbol {E}}_{2}\left(x,y,z\right)+{\frac {d{\boldsymbol {x}}}{dt}}\times {\boldsymbol {B}}\right)}
F = q ( E 1 ( x , y , z ) + d x ⋅ ∇ E − E 1 ( x , y , z ) + d x d t × B ) .
光学的手法による微小物体の操作理論がベル研究所のアーサー・アシュキンによって1970年代に初めて報告された。数年のち、アシュキンらは最初の実験を行い、顕微鏡下において微粒子を光線照射によって3次元的に捕捉することに成功した。
1986年、スティーブン・チューはレーザー冷却の論文において光ピンセットに言及した(1997年、チューはレーザー冷却における研究によってノーベル物理学賞を受賞した)。インタビューにおいてチューはアシュキンを「原子捕捉・光ピンセットの先駆者」と評した。アシュキンは10 - 10,000 nm径の微粒子の捕捉を可能にしたが、チューはこれをより発展させ、0.1 nm径の捕捉を可能とした。
1980年代、アシュキンらはタバコモザイクウイルスおよび大腸菌の操作を通じて、光ピンセットの生物学への適用を初めて行った。1990年代には、カルロス・バスマンテ、ジェームズ・スプディッチ、スティーブン・ブロックらがこの分野に参入し、光ピンセット・レーザー分光学・一分子細胞生物学の発展に寄与した。
この過程では分子モーターの発見など画期的な発見がなされ、生物物理学などの分野が飛躍的に発展した。
2003年には光ピンセットを用いた細胞の整列に成功した。これには各細胞の光学的特徴が利用された。2004年にはコロラド鉱山学校(英語版)によって、これまで高価・複雑であった光ピンセットの小型化・低価格化を狙ったDLBT (Diode Laser Bar Trapping) が開発された。光ピンセットは今日、細胞骨格の操作、生体高分子の粘弾性測定、細胞操作などに利用されている。
2018年、アシュキンは光ピンセットの発明に関する功績によりノーベル物理学賞を受賞した。
光ピンセット(ひかりピンセット、英: optical tweezers)は、集光したレーザー光により微小物体(おもに、細胞などを含む透明な誘電体物質)をその焦点位置の近傍に捕捉し、さらには動かすことのできる装置および技術である。捕捉するための力は屈折率の違いにより生じ、典型的にはピコニュートン程度である。この技術は、近年、とくに生物学やマイクロマシニングの研究において成果を挙げている。