Abstract

Laser beams have been demonstrated to be capable of exerting torque as well as forces on microparticles. Using a custom magneto-optic manipulator, we directly measured the torque exerted by laser light on absorbing microspheres as a result of the transfer of spin angular momentum. A general method for measuring torque has been developed, and the experimental apparatus has shown a sensitivity of 1 pN/nm.

© 2004 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. R. A. Beth, Phys. Rev. 50, 115 (1936).
    [CrossRef]
  2. M. E. Friese, T. A. Nieminen, N. R. Heckenberg, and H. Rubinsztein-Dunlop, Nature 394, 348 (1998).
    [CrossRef]
  3. A. I. Bishop, T. A. Nieminen, N. R. Heckenberg, and H. Rubinsztein-Dunlop, Phys. Rev. A 68, 33802 (2003).
    [CrossRef]
  4. A. LaPorta and M. D. Wang, Phys. Rev. Lett. 92, 19, 190801, (2004).
  5. E. Santamato, A. Sasso, B. Piccirillo, and A. Vella, Opt. Express 10, 871 (2002), http://www.opticsexpress.org .
    [CrossRef] [PubMed]
  6. H. He, M. E. Friese, N. R. Heckenberg, and H. Rubinsztein-Dunlop, Phys. Rev. Lett. 75, 826 (1995).
    [CrossRef] [PubMed]
  7. M. E. Friese, J. Enger, H. Rubinsztein-Dunlop, and N. R. Heckenberg, Phys. Rev. A 54, 1593 (1996).
    [CrossRef] [PubMed]
  8. N. B. Simpson, K. Dholakia, L. Allen, and M. J. Padgett, Opt. Lett. 22, 52 (1997).
    [CrossRef] [PubMed]
  9. M. E. Friese, T. A. Nieminen, N. R. Heckenberg, and H. Rubinsztein-Dunlop, Opt. Lett. 23, 1 (1998).
    [CrossRef]
  10. P. Galajda and P. Ormos, Appl. Phys. Lett. 78, 249 (2001).
    [CrossRef]
  11. Z. Bryant, M. D. Stone, J. Gore, S. B. Smith, N. R. Cozzarelli, and C. Bustamante, Nature 424, 338 (2003).
    [CrossRef] [PubMed]
  12. M. Capitanio, G. Romano, R. Ballerini, M. Giuntini, D. Dunlap, L. Finzi, and F. S. Pavone, Rev. Sci. Instrum. 73, 1687 (2002).
    [CrossRef]
  13. L. Sacconi, G. Romano, R. Ballerini, M. Capitanio, M. De Pas, M. Giuntini, D. Dunlap, L. Finzi, and F. S. Pavone, Opt. Lett. 26, 1359 (2001).
    [CrossRef]
  14. G. Romano, L. Sacconi, M. Capitanio, and F. S. Pavone, Opt. Commun. 215, 323 (2003).
    [CrossRef]
  15. K. Svoboda, C. F. Schmidt, B. J. Schnapp, and S. M. Block, Nature 365, 721 (1993).
    [CrossRef] [PubMed]
  16. S. M. Barnett and L. Allen, Opt. Commun. 110, 670 (1994).
    [CrossRef]
  17. F. Gittes and C. F. Schmidt, Opt. Lett. 23, 7 (1998).
    [CrossRef]
  18. P. Paroli in Magnetic Properties of Matter, F. Borsa and V. Tognetti, eds. (World Scientific, Singapore, 1988), pp. 335–368.
  19. R. Yasuda, H. Noji, M. Yoshida, K. Kinosita, and H. Itoh, Nature 410, 898 (2001).
    [CrossRef] [PubMed]

2004

A. LaPorta and M. D. Wang, Phys. Rev. Lett. 92, 19, 190801, (2004).

2003

A. I. Bishop, T. A. Nieminen, N. R. Heckenberg, and H. Rubinsztein-Dunlop, Phys. Rev. A 68, 33802 (2003).
[CrossRef]

Z. Bryant, M. D. Stone, J. Gore, S. B. Smith, N. R. Cozzarelli, and C. Bustamante, Nature 424, 338 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

G. Romano, L. Sacconi, M. Capitanio, and F. S. Pavone, Opt. Commun. 215, 323 (2003).
[CrossRef]

2002

M. Capitanio, G. Romano, R. Ballerini, M. Giuntini, D. Dunlap, L. Finzi, and F. S. Pavone, Rev. Sci. Instrum. 73, 1687 (2002).
[CrossRef]

E. Santamato, A. Sasso, B. Piccirillo, and A. Vella, Opt. Express 10, 871 (2002), http://www.opticsexpress.org .
[CrossRef] [PubMed]

2001

L. Sacconi, G. Romano, R. Ballerini, M. Capitanio, M. De Pas, M. Giuntini, D. Dunlap, L. Finzi, and F. S. Pavone, Opt. Lett. 26, 1359 (2001).
[CrossRef]

P. Galajda and P. Ormos, Appl. Phys. Lett. 78, 249 (2001).
[CrossRef]

R. Yasuda, H. Noji, M. Yoshida, K. Kinosita, and H. Itoh, Nature 410, 898 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

1998

1997

1996

M. E. Friese, J. Enger, H. Rubinsztein-Dunlop, and N. R. Heckenberg, Phys. Rev. A 54, 1593 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

1995

H. He, M. E. Friese, N. R. Heckenberg, and H. Rubinsztein-Dunlop, Phys. Rev. Lett. 75, 826 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

1994

S. M. Barnett and L. Allen, Opt. Commun. 110, 670 (1994).
[CrossRef]

1993

K. Svoboda, C. F. Schmidt, B. J. Schnapp, and S. M. Block, Nature 365, 721 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

1936

R. A. Beth, Phys. Rev. 50, 115 (1936).
[CrossRef]

Allen, L.

Ballerini, R.

M. Capitanio, G. Romano, R. Ballerini, M. Giuntini, D. Dunlap, L. Finzi, and F. S. Pavone, Rev. Sci. Instrum. 73, 1687 (2002).
[CrossRef]

L. Sacconi, G. Romano, R. Ballerini, M. Capitanio, M. De Pas, M. Giuntini, D. Dunlap, L. Finzi, and F. S. Pavone, Opt. Lett. 26, 1359 (2001).
[CrossRef]

Barnett, S. M.

S. M. Barnett and L. Allen, Opt. Commun. 110, 670 (1994).
[CrossRef]

Beth, R. A.

R. A. Beth, Phys. Rev. 50, 115 (1936).
[CrossRef]

Bishop, A. I.

A. I. Bishop, T. A. Nieminen, N. R. Heckenberg, and H. Rubinsztein-Dunlop, Phys. Rev. A 68, 33802 (2003).
[CrossRef]

Block, S. M.

K. Svoboda, C. F. Schmidt, B. J. Schnapp, and S. M. Block, Nature 365, 721 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Bryant, Z.

Z. Bryant, M. D. Stone, J. Gore, S. B. Smith, N. R. Cozzarelli, and C. Bustamante, Nature 424, 338 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Bustamante, C.

Z. Bryant, M. D. Stone, J. Gore, S. B. Smith, N. R. Cozzarelli, and C. Bustamante, Nature 424, 338 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Capitanio, M.

G. Romano, L. Sacconi, M. Capitanio, and F. S. Pavone, Opt. Commun. 215, 323 (2003).
[CrossRef]

M. Capitanio, G. Romano, R. Ballerini, M. Giuntini, D. Dunlap, L. Finzi, and F. S. Pavone, Rev. Sci. Instrum. 73, 1687 (2002).
[CrossRef]

L. Sacconi, G. Romano, R. Ballerini, M. Capitanio, M. De Pas, M. Giuntini, D. Dunlap, L. Finzi, and F. S. Pavone, Opt. Lett. 26, 1359 (2001).
[CrossRef]

Cozzarelli, N. R.

Z. Bryant, M. D. Stone, J. Gore, S. B. Smith, N. R. Cozzarelli, and C. Bustamante, Nature 424, 338 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

De Pas, M.

Dholakia, K.

Dunlap, D.

M. Capitanio, G. Romano, R. Ballerini, M. Giuntini, D. Dunlap, L. Finzi, and F. S. Pavone, Rev. Sci. Instrum. 73, 1687 (2002).
[CrossRef]

L. Sacconi, G. Romano, R. Ballerini, M. Capitanio, M. De Pas, M. Giuntini, D. Dunlap, L. Finzi, and F. S. Pavone, Opt. Lett. 26, 1359 (2001).
[CrossRef]

Enger, J.

M. E. Friese, J. Enger, H. Rubinsztein-Dunlop, and N. R. Heckenberg, Phys. Rev. A 54, 1593 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Finzi, L.

M. Capitanio, G. Romano, R. Ballerini, M. Giuntini, D. Dunlap, L. Finzi, and F. S. Pavone, Rev. Sci. Instrum. 73, 1687 (2002).
[CrossRef]

L. Sacconi, G. Romano, R. Ballerini, M. Capitanio, M. De Pas, M. Giuntini, D. Dunlap, L. Finzi, and F. S. Pavone, Opt. Lett. 26, 1359 (2001).
[CrossRef]

Friese, M. E.

M. E. Friese, T. A. Nieminen, N. R. Heckenberg, and H. Rubinsztein-Dunlop, Opt. Lett. 23, 1 (1998).
[CrossRef]

M. E. Friese, T. A. Nieminen, N. R. Heckenberg, and H. Rubinsztein-Dunlop, Nature 394, 348 (1998).
[CrossRef]

M. E. Friese, J. Enger, H. Rubinsztein-Dunlop, and N. R. Heckenberg, Phys. Rev. A 54, 1593 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

H. He, M. E. Friese, N. R. Heckenberg, and H. Rubinsztein-Dunlop, Phys. Rev. Lett. 75, 826 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Galajda, P.

P. Galajda and P. Ormos, Appl. Phys. Lett. 78, 249 (2001).
[CrossRef]

Gittes, F.

Giuntini, M.

M. Capitanio, G. Romano, R. Ballerini, M. Giuntini, D. Dunlap, L. Finzi, and F. S. Pavone, Rev. Sci. Instrum. 73, 1687 (2002).
[CrossRef]

L. Sacconi, G. Romano, R. Ballerini, M. Capitanio, M. De Pas, M. Giuntini, D. Dunlap, L. Finzi, and F. S. Pavone, Opt. Lett. 26, 1359 (2001).
[CrossRef]

Gore, J.

Z. Bryant, M. D. Stone, J. Gore, S. B. Smith, N. R. Cozzarelli, and C. Bustamante, Nature 424, 338 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

He, H.

H. He, M. E. Friese, N. R. Heckenberg, and H. Rubinsztein-Dunlop, Phys. Rev. Lett. 75, 826 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Heckenberg, N. R.

A. I. Bishop, T. A. Nieminen, N. R. Heckenberg, and H. Rubinsztein-Dunlop, Phys. Rev. A 68, 33802 (2003).
[CrossRef]

M. E. Friese, T. A. Nieminen, N. R. Heckenberg, and H. Rubinsztein-Dunlop, Opt. Lett. 23, 1 (1998).
[CrossRef]

M. E. Friese, T. A. Nieminen, N. R. Heckenberg, and H. Rubinsztein-Dunlop, Nature 394, 348 (1998).
[CrossRef]

M. E. Friese, J. Enger, H. Rubinsztein-Dunlop, and N. R. Heckenberg, Phys. Rev. A 54, 1593 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

H. He, M. E. Friese, N. R. Heckenberg, and H. Rubinsztein-Dunlop, Phys. Rev. Lett. 75, 826 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Itoh, H.

R. Yasuda, H. Noji, M. Yoshida, K. Kinosita, and H. Itoh, Nature 410, 898 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Kinosita, K.

R. Yasuda, H. Noji, M. Yoshida, K. Kinosita, and H. Itoh, Nature 410, 898 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

LaPorta, A.

A. LaPorta and M. D. Wang, Phys. Rev. Lett. 92, 19, 190801, (2004).

Nieminen, T. A.

A. I. Bishop, T. A. Nieminen, N. R. Heckenberg, and H. Rubinsztein-Dunlop, Phys. Rev. A 68, 33802 (2003).
[CrossRef]

M. E. Friese, T. A. Nieminen, N. R. Heckenberg, and H. Rubinsztein-Dunlop, Opt. Lett. 23, 1 (1998).
[CrossRef]

M. E. Friese, T. A. Nieminen, N. R. Heckenberg, and H. Rubinsztein-Dunlop, Nature 394, 348 (1998).
[CrossRef]

Noji, H.

R. Yasuda, H. Noji, M. Yoshida, K. Kinosita, and H. Itoh, Nature 410, 898 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Ormos, P.

P. Galajda and P. Ormos, Appl. Phys. Lett. 78, 249 (2001).
[CrossRef]

Padgett, M. J.

Paroli, P.

P. Paroli in Magnetic Properties of Matter, F. Borsa and V. Tognetti, eds. (World Scientific, Singapore, 1988), pp. 335–368.

Pavone, F. S.

G. Romano, L. Sacconi, M. Capitanio, and F. S. Pavone, Opt. Commun. 215, 323 (2003).
[CrossRef]

M. Capitanio, G. Romano, R. Ballerini, M. Giuntini, D. Dunlap, L. Finzi, and F. S. Pavone, Rev. Sci. Instrum. 73, 1687 (2002).
[CrossRef]

L. Sacconi, G. Romano, R. Ballerini, M. Capitanio, M. De Pas, M. Giuntini, D. Dunlap, L. Finzi, and F. S. Pavone, Opt. Lett. 26, 1359 (2001).
[CrossRef]

Piccirillo, B.

Romano, G.

G. Romano, L. Sacconi, M. Capitanio, and F. S. Pavone, Opt. Commun. 215, 323 (2003).
[CrossRef]

M. Capitanio, G. Romano, R. Ballerini, M. Giuntini, D. Dunlap, L. Finzi, and F. S. Pavone, Rev. Sci. Instrum. 73, 1687 (2002).
[CrossRef]

L. Sacconi, G. Romano, R. Ballerini, M. Capitanio, M. De Pas, M. Giuntini, D. Dunlap, L. Finzi, and F. S. Pavone, Opt. Lett. 26, 1359 (2001).
[CrossRef]

Rubinsztein-Dunlop, H.

A. I. Bishop, T. A. Nieminen, N. R. Heckenberg, and H. Rubinsztein-Dunlop, Phys. Rev. A 68, 33802 (2003).
[CrossRef]

M. E. Friese, T. A. Nieminen, N. R. Heckenberg, and H. Rubinsztein-Dunlop, Opt. Lett. 23, 1 (1998).
[CrossRef]

M. E. Friese, T. A. Nieminen, N. R. Heckenberg, and H. Rubinsztein-Dunlop, Nature 394, 348 (1998).
[CrossRef]

M. E. Friese, J. Enger, H. Rubinsztein-Dunlop, and N. R. Heckenberg, Phys. Rev. A 54, 1593 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

H. He, M. E. Friese, N. R. Heckenberg, and H. Rubinsztein-Dunlop, Phys. Rev. Lett. 75, 826 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Sacconi, L.

Santamato, E.

Sasso, A.

Schmidt, C. F.

F. Gittes and C. F. Schmidt, Opt. Lett. 23, 7 (1998).
[CrossRef]

K. Svoboda, C. F. Schmidt, B. J. Schnapp, and S. M. Block, Nature 365, 721 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Schnapp, B. J.

K. Svoboda, C. F. Schmidt, B. J. Schnapp, and S. M. Block, Nature 365, 721 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Simpson, N. B.

Smith, S. B.

Z. Bryant, M. D. Stone, J. Gore, S. B. Smith, N. R. Cozzarelli, and C. Bustamante, Nature 424, 338 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Stone, M. D.

Z. Bryant, M. D. Stone, J. Gore, S. B. Smith, N. R. Cozzarelli, and C. Bustamante, Nature 424, 338 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Svoboda, K.

K. Svoboda, C. F. Schmidt, B. J. Schnapp, and S. M. Block, Nature 365, 721 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Vella, A.

Wang, M. D.

A. LaPorta and M. D. Wang, Phys. Rev. Lett. 92, 19, 190801, (2004).

Yasuda, R.

R. Yasuda, H. Noji, M. Yoshida, K. Kinosita, and H. Itoh, Nature 410, 898 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Yoshida, M.

R. Yasuda, H. Noji, M. Yoshida, K. Kinosita, and H. Itoh, Nature 410, 898 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Appl. Phys. Lett.

P. Galajda and P. Ormos, Appl. Phys. Lett. 78, 249 (2001).
[CrossRef]

Nature

Z. Bryant, M. D. Stone, J. Gore, S. B. Smith, N. R. Cozzarelli, and C. Bustamante, Nature 424, 338 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

M. E. Friese, T. A. Nieminen, N. R. Heckenberg, and H. Rubinsztein-Dunlop, Nature 394, 348 (1998).
[CrossRef]

R. Yasuda, H. Noji, M. Yoshida, K. Kinosita, and H. Itoh, Nature 410, 898 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

K. Svoboda, C. F. Schmidt, B. J. Schnapp, and S. M. Block, Nature 365, 721 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Opt. Commun.

S. M. Barnett and L. Allen, Opt. Commun. 110, 670 (1994).
[CrossRef]

G. Romano, L. Sacconi, M. Capitanio, and F. S. Pavone, Opt. Commun. 215, 323 (2003).
[CrossRef]

Opt. Express

Opt. Lett.

Phys. Rev.

R. A. Beth, Phys. Rev. 50, 115 (1936).
[CrossRef]

Phys. Rev. A

M. E. Friese, J. Enger, H. Rubinsztein-Dunlop, and N. R. Heckenberg, Phys. Rev. A 54, 1593 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

A. I. Bishop, T. A. Nieminen, N. R. Heckenberg, and H. Rubinsztein-Dunlop, Phys. Rev. A 68, 33802 (2003).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett.

A. LaPorta and M. D. Wang, Phys. Rev. Lett. 92, 19, 190801, (2004).

H. He, M. E. Friese, N. R. Heckenberg, and H. Rubinsztein-Dunlop, Phys. Rev. Lett. 75, 826 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Rev. Sci. Instrum.

M. Capitanio, G. Romano, R. Ballerini, M. Giuntini, D. Dunlap, L. Finzi, and F. S. Pavone, Rev. Sci. Instrum. 73, 1687 (2002).
[CrossRef]

Other

P. Paroli in Magnetic Properties of Matter, F. Borsa and V. Tognetti, eds. (World Scientific, Singapore, 1988), pp. 335–368.

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1
Fig. 1

Δϕ is defined as Δϕ=ωΔt, where Δt is the time difference between the nonlinear fit minimum of the bead rotation signal (continuous curve) and the minimum of the current monitor signal (dotted curve). In the upper part of the figure the smaller beads are used to represent the bead asymmetry. The rotation of the bead impurity and that of the B field at the bottom correspond, respectively, to the continuous and dotted curves.

Fig. 2
Fig. 2

(a) bCW and bCCW+2Δϕ0 versus laser power on the sample. (b) Γrad versus laser power on the sample.

Fig. 3
Fig. 3

Circles, Γrad versus angle φλ/4 formed between the fast axis of the λ/4 wave plate and the polarization of the laser light entering the λ/4 wave plate. Open squares, measured ratios between the intensities along the minor Imin and the major Imax axes of the polarization ellipse after the λ/4 wave plate, multiplied by the sign of φλ/4 for their comparison with Γrad.

Fig. 4
Fig. 4

Typical calibration curve (θ versus Γ) of the magnetic manipulator, showing that the sensitivity of the experimental apparatus can reach 1 pN/nm.

Equations (2)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

ΔϕCW,CCWω=γkrotω±Γradkrot+Δϕ0=aω+bCW,CCW,
Γrad=krotbCW-bCCW+2Δϕ02.

Metrics