Первые эксперименты по созданию световых парусов, которые могли бы достичь далеких звезд
Идея путешествия по межзвездному пространству с использованием космических аппаратов, приводимых в движение сверхтонкими парусами, может показаться чем-то из области научной фантастики. Но на самом деле, программа, начатая в 2016 году Стивеном Хокингом и Юрием Мильнером и известная как Breakthrough Starshot Initiative, изучает эту идею. Концепция заключается в использовании лазеров для приведения в движение миниатюрных космических зондов, прикрепленных к «световым парусам», чтобы достичь сверхвысоких скоростей и в конечном итоге достичь ближайшей звездной системы Альфа Центавра.
Калифорнийский технологический институт (Caltech) возглавляет мировое научное сообщество, работающее над достижением этой дерзкой цели. «Световой парус будет двигаться быстрее, чем любой космический корабль, и в конечном итоге сможет открыть межзвездные расстояния для прямого исследования космических аппаратов, которые сейчас доступны только с помощью дистанционного наблюдения», — объясняет Гарри Этуотер, профессор прикладной физики и материаловедения в Caltech.
Теперь он и его коллеги разработали платформу для характеристики сверхтонких мембран, которые однажды могут быть использованы для создания световых парусов. Их испытательная платформа включает способ измерения силы, которую лазеры оказывают на паруса, которые будут использоваться в космических аппаратах. Эксперименты знаменуют собой первый шаг в переходе от теоретических предложений и конструкций световых парусов к фактическим наблюдениям и измерениям ключевых концепций и потенциальных материалов.
«Существует множество проблем, связанных с разработкой мембраны, которая в конечном итоге могла бы использоваться в качестве светового паруса. Она должна выдерживать тепло, сохранять форму под давлением и стабильно двигаться вдоль оси лазерного луча», — говорит Этуотер. «Но прежде чем мы начнем строить такой парус, нам нужно понять, как материалы реагируют на давление излучения лазеров. Мы хотели узнать, можем ли мы определить силу, действующую на мембрану, просто измеряя ее движения. Оказывается, можем».
Цель работы состоит в том, чтобы охарактеризовать поведение свободно движущегося светового паруса. Но в качестве первого шага, чтобы начать изучать материалы и движущие силы в лаборатории, команда ученых создала миниатюрный световой парус, который привязан по углам внутри более крупной мембраны.
Исследователи использовали оборудование в Институте нанонауки Кавли в Калтехе и технику, называемую электронно-лучевой литографией, чтобы тщательно смоделировать мембрану из нитрида кремния толщиной всего 50 нанометров, создав нечто, похожее на микроскопический батут. Мини-батут, квадрат шириной всего 40 микрон и длиной 40 микрон, подвешен по углам на пружинах из нитрида кремния. Затем ученые воздействовали по мембране светом аргонового лазера на видимой длине волны. Целью было измерить давление излучения, которое испытывал миниатюрный световой парус, путем измерения движений батута при его движении вверх и вниз.
Но картина с точки зрения физики меняется, когда парус привязывается, говорит соавтор исследования Лиор Михаэли. «В этом случае динамика становится довольно сложной». Парус действует как механический резонатор, вибрируя, как батут, при попадании на него света. Основная проблема заключается в том, что эти колебания в основном вызваны теплом от лазерного луча, которое может маскировать прямой эффект давления излучения. Он говорит, что команда превратила эту проблему в преимущество. «Мы не только избежали нежелательного эффекта нагрева, но и использовали то, что узнали о поведении устройства, для создания нового способа измерения силы света».
Новый метод позволяет устройству дополнительно выполнять функцию измерителя мощности для измерения как силы, так и мощности лазерного луча.
«Устройство представляет собой небольшой световой парус, но большая часть нашей работы заключалась в разработке и реализации схемы для точного измерения движения, вызванного дальнодействующими оптическими силами».
Для этого исследователи построили так называемый интерферометр с общим путем. В общем случае движение можно обнаружить с помощью интерференции двух лазерных лучей, один из которых попадает на вибрирующий образец, а другой отслеживает жесткое местоположение. Однако в интерферометре с общим путем, поскольку два луча прошли почти по одному и тому же пути, они столкнулись с одними и теми же источниками окружающего шума, такими как работающее поблизости оборудование или даже говорящие люди, и эти сигналы устраняются. Все, что остается, — это очень слабый сигнал от движения образца.
Инженеры интегрировали интерферометр в микроскоп, который они использовали для изучения миниатюрного паруса, и поместили устройство в специально изготовленную вакуумную камеру. Затем они смогли измерить движения паруса размером до пикометров (триллионных долей метра), а также его механическую жесткость — то есть, насколько сильно деформировались пружины, когда парус толкался давлением излучения лазера.
Поскольку исследователи знают, что световой парус в космосе не всегда остается перпендикулярным источнику лазера на Земле, они направили лазерный луч под углом, чтобы имитировать это, и снова измерили силу, с которой лазер толкал мини-парус.
Важно отметить, что исследователи учли тот факт, что лазерный луч распространяется под углом и, следовательно, не попадает на образец в некоторых областях, откалибровав свои результаты по мощности лазера, измеренной самим устройством. Тем не менее, сила в этих условиях оказалась ниже, чем ожидалось. В статье исследователи выдвигают гипотезу, что часть луча, направленного под углом, попадает на край паруса, в результате чего часть света рассеивается и направляется в другие стороны.
Заглядывая вперед, ученые надеются использовать нанонауку и метаматериалы — материалы, тщательно разработанные в таком крошечном масштабе, чтобы обладать желаемыми свойствами, — чтобы помочь контролировать поперечное движение и вращение миниатюрного светового паруса.
Исследователи отмечают, что они могут измерять движение из стороны в сторону и вращение с помощью платформы, описанной в статье. «Это важный шаг к наблюдению за оптическими силами и крутящими моментами, разработанными для того, чтобы позволить свободно ускоряющемуся световому парусу перемещаться по лазерному лучу».