Wetenschappers ontwerpen een manier om objecten te laten zweven en voort te stuwen met alleen licht

• Hoewel nog theoretisch, kan de technologie worden gebruikt om objecten van verschillende groottes en vormen met een lichtstraal te laten zweven.
• Het kan ook worden gebruikt om door lasers aangedreven ruimtevaartuigen te ontwikkelen voor verkenning van de ruimte.

Het vermogen van licht om krachten en koppels uit te oefenen is een van de belangrijkste kenmerken van optische manipulatie van materialen. Om deze manipulatie stabiel te maken, moet de bron een voldoende sterk vangpotentieel hebben.

In de afgelopen decennia hebben wetenschappers talloze benaderingen bedacht voor op licht gebaseerde mechanische manipulatie, met name een optische pincet die stralingsdruk van een laserstraal gebruikt om kleine objecten te verplaatsen en te manipuleren. Deze methode vormde de basis voor de Nobelprijs voor natuurkunde van 2018.

Tegenwoordig concentreren wetenschappers zich op levitatiedynamica in optomechanische systemen om kwantummechanische superpositie en grondtoestandskoeling te realiseren.

De meeste van de bestaande technieken kunnen echter alleen microscopisch kleine objecten op zeer korte afstanden manipuleren. Het is alsof je een pingpongbal laat zweven met behulp van een luchtstroom uit een haardroger. Het zou niet werken als de bal te zwaar was, of als hij te ver weg was van de föhn.

Onlangs hebben onderzoekers van het California Institute of Technology een methode onthuld waarmee objecten van verschillende groottes en vormen met een lichtstraal kunnen worden gemanipuleerd. De theoretische prestatie is gebaseerd op unieke patronen op nanoschaal die op het oppervlak van het door licht voortgedreven object zijn gegraveerd.

Hoe werkt het?

De unieke patronen op nanoschaal interageren met licht op een manier dat het object zichzelf in de lucht kan balanceren, waardoor een herstellend koppel wordt gegenereerd om het in de straal te houden. Deze patronen zijn in staat om hun eigen stabiliteit te coderen, waardoor de noodzaak van zeer gerichte laserstralen wordt geëlimineerd. De lichtbron kan zelfs miljoenen kilometers verwijderd zijn.

Referentie:Natuurfotonica | doi:10.1038/s41566-019-0373-y | Caltech 

Deze zelfstabiliserende optische manipulatie van macroscopische objecten kan worden verkregen door de anisotropie van lichtverstrooiing langs het oppervlak van het object te beheersen.

Technische optische anisotropie voor zelfstabiliserende manipulatie | Met dank aan onderzoekers 

Onderzoekers zochten naar asymmetrie in de optische respons om ervoor te zorgen dat een herstelkoppel kan worden geproduceerd voor een structuur die uit zijn evenwichtsoriëntatie is verplaatst. Ze legden de nadruk op het creëren van een passend antwoord als een collectief effect en ontwikkelden een groep nanofotonische elementen die passieve zelfherstellende dynamiek kunnen vertonen.

Toepassingen

Hoewel nog theoretisch, kan de technologie worden gebruikt om door licht aangedreven ruimtevaartuigen te ontwikkelen die planeten buiten ons zonnestelsel kunnen bezoeken. Dat is nog een lange weg te gaan, maar onderzoekers testen momenteel de principes uit.

Het ruimtevaartuig kan worden geëtst met speciale patronen op nanoschaal en aangedreven/versneld door een op aarde gebaseerde laserstraal. Ze zouden relativistische snelheden kunnen bereiken en mogelijk verre sterren kunnen bezoeken, zonder brandstof bij zich te hebben.

Lezen:akoestische tractorstraal laat licht materiaal zweven in geluidloze leegte

Maar voordat deze theorie van lichte voortstuwing wordt gebruikt om ruimtevaartuigen aan te drijven, zou het de productie van kleinere objecten zoals printplaten kunnen stimuleren.