光には放射圧という押し出す力がありますが、通常はとても弱く感じられません。アシュキンはレーザーが生む強い放射圧と強度勾配に注目し、ビームの中心に微粒子を引き寄せて三次元的に捕捉する手法を考案しました。レンズで集光すると、粒子は強度が最大の焦点に束縛され、水中でも安定に浮かびます。接触しないため熱や化学変化がほとんど起こらず、生きた細菌や赤血球をそのまま調べられます。今ではDNAの弾性測定や分子モーターのステップ観察など、ナノバイオ技術の基盤となっています。光ピンセットはマラリア感染赤血球の選別など医療応用にも展開されつつあり、社会的インパクトが大きい技術です。

光ピンセットは、ビームの横方向強度勾配による勾配力と、進行方向の散乱力のバランスで形成されるポテンシャル井戸により粒子を捕縛する。捕捉ばね定数は数十〜数百fN/nmで、ブラウン運動を解析することでヤング率や膜張力など力学パラメータが取得できる。赤外光を使用すれば吸収による熱影響を低減でき、細胞分裂やエンドサイトーシスのリアルタイム観察が可能になる。複数ビームや空間光変調器を組み合わせたホログラフィック光トラップは、数千個のトラップを同時生成し、マイクロ流体内での高スループット操作を実現する。量子操作分野では、極低温での原子捕捉やボース–アインシュタイン凝縮体の配列制御にも応用が広がっている。

光学的拘束は電磁場勾配による誘起双極子相互作用に起因し、粒子半径が波長より小さいレイリー領域では擬似ポテンシャルU＝−αE²/2で記述される。モメンタム散逸を抑えつつナノメートル分解能を得るため、位置検出には干渉法やフォトダイオード4分割検出が用いられる。バックフォーカスされた高NA対物レンズのアポダイズドPSFがトラップ剛性向上に寄与し、近年はメタサーフェスレンズによる色収差補正も報告されている。1-pNスケールでのステップ分解能により、キネシン・ダイニンの手渡し機構やDNA–ポリメラーゼのパウジング解析が可能となった。力分光と蛍光分光を同時に行うハイブリッドセットアップでは、化学反応座標と機械座標の協奏が明らかになりつつある。量子レジームでは、光結晶キャビティと結合させたナノビーズの側方冷却によりセンターオブマス温度がμK領域まで到達し、力検出感度がyoctonewtonレベルに迫るなど、新展開が続いている。