Nyt videnskabeligt koncept for en Star Wars-lignende traktorbjælke

Fysikere fra ITMO University har udviklet en model af en optisk traktorstråle til at fange partikler baseret på nye kunstige materialer. En sådan stråle er i stand til at flytte partikler eller celler mod strålingskilden. Undersøgelsen viste, at hyperbolske metaoverflader er lovende for eksperimenter med at skabe traktorbjælken, såvel som for dens praktiske anvendelser. Resultaterne offentliggøres i ACS Fotonik .

Traktorbjælker kender mange, takket være Star wars , Star Trek og utallige skildringer af UFO-kidnapninger. Alligevel forsøger videnskabsmænd at opnå sådanne stråler i virkeligheden, og der er allerede flere måder at få objekter til at bevæge sig mod en lyskilde. Indtil nu, imidlertid, disse objekter er repræsenteret af små partikler og atomer i stedet for hele køer.

Forskere fra ITMO University foreslog for nylig at bruge metamaterialer til at skabe sådanne traktorbjælker. Metamaterialer er kunstige periodiske strukturer med usædvanlige optiske egenskaber bestående af gentagne elementer. For eksempel, metamaterialer kan understøtte hyperbolske tilstande:særlige tilstande af det elektromagnetiske felt, der opstår, når metamaterialet interagerer med lys. Sådanne tilstande hjælper med at kontrollere de optiske kræfter, der påvirker objekter på materialets overflade, og, det viser sig, kan hjælpe med at flytte partikler mod lyskilden.

"Vores arbejde er fuldt ud dedikeret til at skabe traktorbjælkerne baseret på meta-overflader samt at studere fysikken bag det. Vi fandt ud af, at denne effekt opstår på grund af udbredelsen af ​​hyperbolske tilstande i metamaterialer. Sådanne tilstande fungerer som en yderligere spredning. kanal og, ifølge loven om bevarelse af momentum, kan skubbe partiklen i retning af lyskilden. På samme tid, metamaterialer har en række andre fordele sammenlignet med alternative metoder til at opnå traktorens bjælke. Derfor, metasurfaces er mere bekvemme til praktisk brug, " siger Alexander Shalin, lederen af ​​det nano-optomekaniske laboratorium på ITMO University.

I 2016 forskere fra ITMO University foreslog en anden model af traktorstrålen baseret på plasmonresonans og udbredelse af overfladeplasmonbølger - oscillationer af elektrongassen nær metaloverfladen. Det flade substrat gjorde det muligt for forskere at arbejde med hele overfladen af ​​materialet i stedet for små områder, som i klassisk plasmonpincet. Imidlertid, det nye arbejde viste, at metamaterialer baseret på flade strukturer, der understøtter både hyperbolske og plasmoniske tilstande, kan blive et endnu bedre grundlag for traktorens bjælker. Metaoverflader og metamaterialer arbejder med lys i hele det synlige bølgelængdeområde og klarer bedre energitab. Alt dette gør dem lovende til den eksperimentelle implementering af traktorbjælkerne.

"I fremtidige arbejder, vi planlægger at udføre eksperimenter for at opnå traktorens bjælker. Dette er et obligatorisk skridt hen imod den praktiske anvendelse af dette fænomen. I den nærmeste fremtid, denne teknologi vil ikke hjælpe os med at tiltrække rumskibe og kidnappe køer, men det kan stadig bruges, for eksempel, at skabe specielle fælder for partikler og celler eller at udføre kemiske reaktioner selektivt, " siger Alexandra Ivinskaya, artiklens første forfatter.