Levitating objekter med lys

Forskere ved Caltech har designet en måde at svæve og drive objekter ved kun at bruge lys, ved at oprette specifikke nanoskala mønstre på objekternes overflader.

Selvom det stadig er teoretisk, arbejdet er et skridt i retning af at udvikle et rumfartøj, der kan nå den nærmeste planet uden for vores solsystem om 20 år, drevet og accelereret kun af lys.

Et papir, der beskriver forskningen, vises online i tidsskriftet 18. marts Natur fotonik . Undersøgelsen blev udført i laboratoriet hos Harry Atwater, Howard Hughes Professor i anvendt fysik og materialevidenskab i Caltechs afdeling for teknik og anvendt videnskab.

For årtier siden, udviklingen af ​​den såkaldte optiske pincet gjorde det muligt for forskere at flytte og manipulere små objekter, som nanopartikler, ved hjælp af strålingstrykket fra en skarpt fokuseret stråle af laserlys. Dette arbejde dannede grundlaget for Nobelprisen i fysik i 2018. Imidlertid, en optisk pincet er kun i stand til at manipulere meget små genstande og kun på meget korte afstande.

Ognjen Ilic, postdoktor og undersøgelsens første forfatter, giver en analogi:"Man kan svæve en bordtennisbold ved hjælp af en jævn luftstrøm fra en hårtørrer. Men det ville ikke fungere, hvis bordtennisbolden var for stor, eller hvis det var for langt væk fra hårtørrer, og så videre."

Med denne nye forskning, genstande i mange forskellige former og størrelser - fra mikrometer til meter - kunne manipuleres med en lysstråle. Nøglen er at skabe specifikke nanoskala mønstre på et objekts overflade. Denne mønster interagerer med lys på en sådan måde, at objektet kan rette sig selv, når det forstyrres, skabe et genoprettelsesmoment for at holde det i lysstrålen. Dermed, frem for at kræve meget fokuserede laserstråler, objekternes mønster er designet til at "kode" deres egen stabilitet. Lyskilden kan også være millioner af miles væk.

"Vi er kommet frem til en metode, der kan svæve makroskopiske objekter, "siger Atwater, som også er leder af Fællescenter for Kunstig Fotosyntese. "Der er en dristig interessant applikation til at bruge denne teknik som et middel til fremdrift af en ny generation af rumfartøjer. Vi er langt fra faktisk at gøre det, men vi er i gang med at afprøve principperne."

I teorien, dette rumfartøj kunne mønstres med nanoskala strukturer og fremskyndes af et jordbaseret laserlys. Uden at skulle bære brændstof, rumfartøjet kunne nå meget højt, selv relativistiske hastigheder og muligvis rejse til andre stjerner.

Atwater forestiller sig også, at teknologien kunne bruges her på jorden til at muliggøre hurtig fremstilling af stadig mindre objekter, som kredsløb.

Papiret har titlen "Selvstabiliserende fotonisk levitation og fremdrift af nanostrukturerede makroskopiske objekter." Finansiering blev ydet af Air Force Office of Scientific Research.