Левитация объектов с помощью света

Исследователи из Калифорнийского технологического института разработали способ левитации и движения объектов, используя только свет, создавая специфические наноразмерные узоры на поверхностях объектов.

Хотя эта работа все еще теоретическая, она является шагом к разработке космического корабля, который сможет достичь ближайшей планеты за пределами нашей солнечной системы за 20 лет, и приводиться в действие и ускоряться только светом.

Статья, описывающая исследование, появилась в номере журнала Nature Photonics от 18 марта. Исследование было выполнено в лаборатории Гарри Атватера, профессора прикладной физики и материаловедения Говарда Хьюза в отделе инженерных и прикладных наук Калифорнийского технологического института.

Десятилетия назад разработка так называемых оптических пинцетов позволила ученым перемещать и манипулировать крошечными объектами, такими как наночастицы, используя радиационное давление от резко сфокусированного луча лазерного света. Эта работа легла в основу Нобелевской премии по физике 2018 года. Однако оптический пинцет способен манипулировать только очень маленькими предметами и только на очень коротких расстояниях.

Огнен Илич, доктор наук и автор исследования, приводит аналогию: «Можно поднять шарик для пинг-понга, используя постоянный поток воздуха из фена. Но это не сработало бы, если бы шарик для пинг-понга был слишком большим, или если бы он находился слишком далеко от фена и так далее.»

Благодаря новому исследованию объекты разных форм и размеров — от микрометров до метров — могут управляться световым лучом. Ключ заключается в создании определенных наноразмерных узоров на поверхности объекта.

Эта структура взаимодействует со светом таким образом, что объект может выровнять себя при возмущении, создавая восстанавливающий момент, чтобы удерживать его в луче света. Таким образом, вместо того, чтобы требовать высокофокусированных лазерных лучей, структура объектов предназначена для «кодирования» их собственной устойчивости. Источник света также может быть за миллионы километров.

«Мы придумали метод, который может левитировать макроскопические объекты», — говорят ученые. «Существует дерзко интересное приложение, чтобы использовать эту технику в качестве средства для движения космического корабля нового поколения. Мы на самом деле далеки сейчас от этого, но мы находимся в процессе проверки принципов».

Теоретически, такой космический корабль может быть структурирован наноразмерными объектами и ускорен лазерным лучом Земли. Без необходимости нести топливо, космический корабль может достигать очень высоких, даже релятивистских скоростей и, возможно, путешествовать к другим звездам.

Self-stabilizing photonic levitation and propulsion of nanostructured macroscopic objects. Nature Photonics doi.org/10.1038/s41566-019-0373-y