Нова технология за светлинна тяга прави междузвездните полети управляеми

Идеята за използване на светлината за преместване на физически обекти се развива в науката от доста време. От физическа гледна точка процесът се основава на факта, че фотоните, въпреки липсата на маса на покой, имат импулс. Когато се сблъсква с материята, светлината прехвърля този импулс върху нея, което създава физическо налягане. Досега технологиите за оптична манипулация се развиваха в две основни направления. Първата технология е оптичната пинсета, която използва сложна система от лещи за фокусиране на лазерен лъч в микроскопична точка, което позволява да се хванат и задържат клетки или молекули. Втората е концепцията за слънчеви платна, при която светлината избутва даден обект по права линия, в посоката на своето разпространение.

И двете технологии са свързани с физически и инженерни предизвикателства. Оптичните пинцети изискват перфектно фокусиране и работят само върху обекти, чийто размер е сравним с ширината на самия лазерен лъч. Класическият натиск на светлината върху плоска повърхност, от своя страна, не позволява обектът да бъде манипулиран: за да се промени посоката на движение, самият обект трябва да бъде механично завъртян спрямо източника на светлина. Задачата да се накара даден обект да се движи в триизмерното пространство с помощта на прав, плосък и нефокусиран светлинен лъч отдавна се смята за твърде трудна.

Група инженери и физици от Тексаския университет A&M и Североизточния университет в САЩ предложиха нов механизъм за решаване на този проблем. В изследване, публикувано в научното издание Newton, авторите описват създаването на микроскопични устройства, наречени „метаджети“. Тези обекти са способни едновременно да се издигат и да се движат в дадена хоризонтална посока под въздействието на лазерен лъч, насочен строго перпендикулярно отдолу нагоре. Векторът на тягата в тази система се контролира не чрез промяна на положението на източника на светлина, а чрез физическата структура на повърхността на самото движещо се устройство.

Физическата структура: как работят метаповърхностите

Технологията на метаповърхностите е в основата на разработката. Метаповърхността е изкуствено създадена структура, която позволява електромагнитните вълни да бъдат направлявани от нейната геометрия в мащаби, по-малки от дължината на вълната на падащата светлина. Вместо да използват традиционните химически покрития или оптични лещи, изследователите променят траекторията на светлината с помощта на физическата топография.

В структурно отношение метаджетът представлява прозрачна подложка от силициев диоксид, върху която силициевите цилиндри са подредени в строга последователност. Височината на всеки цилиндър е фиксирана на 500 нанометра, но диаметърът им варира. Тези цилиндри са подредени в повтарящи се групи, които изследователите наричат суперклетки. Във всяка суперклетка диаметърът на цилиндрите се увеличава последователно от единия до другия край.

Когато една плоска светлинна вълна попадне върху такава структура, тя преминава през цилиндрите с различна дебелина. Колкото по-дебел е силициевият цилиндър, толкова повече забавя преминаващата през него част от светлинната вълна (променя нейната фаза). Тъй като цилиндрите са разположени в ред на увеличаване на дебелината, на изхода на структурата се образува така нареченият фазов градиент. Вълна, която е влязла в материала строго вертикално, излиза от него под определен ъгъл. Този процес във физиката се нарича аномално пречупване. Структурата работи като дефлектор, като пренасочва светлината единствено благодарение на своята наноразмерна геометрия.

Механика на насоченото движение: синтезът на оптиката и нютоновата механика

Новото в това изследване се състои в това как точно оптичното пречупване се превръща в кинетична енергия за самото устройство. Авторите на статията комбинират обобщения закон на Снелиус за пречупването със закона за запазване на импулса и третия закон на Нютон (силата на действие е равна на силата на противодействие).

Тъй като светлината носи импулс, промяната на посоката на лъча означава промяна на вектора на импулса. Праволинейният лазерен лъч влиза отдолу в метаджета и излиза отгоре под ъгъл. За да се компенсира тази промяна и да се поддържа цялостното равновесие във физическата система, върху самата силициева структура започва да действа реактивна сила. Учените са въвели специален термин за нея – „метафотонна сила“.

Векторът на тази реактивна сила може да бъде разделен на два компонента. Първата компонента е насочена вертикално нагоре: тя възниква вследствие на налягането на падащата светлина и кара обекта да се издигне над повърхността, преодолявайки гравитацията (левитация). Втората компонента е хоризонтална: тя тласка метаджантата в посока, строго противоположна на посоката, в която се пречупва падащият светлинен лъч. По този начин устройството получава стабилна странична тяга от пряк източник на енергия.

Провеждане на експеримента и потвърждаване на изчисленията

За да проверят теоретичната основа, инженерите преминават към практически тестове. Производството на метаджети изисква използването на методи за електронна литография. Първо, върху подложка се оформя масив от милиони силициеви цилиндри. След това с помощта на химическо ецване (отстраняване на специален защитен слой от хром) готовите микроскопични са отделени от подложката.

За експеримента метаелементите са поставени в прозрачна кювета, пълна с обикновена вода. Кюветата е осветена отдолу с фемтосекунден лазер с дължина на вълната 1000 нанометра. Лазерният лъч е бил насочен вертикално и не е имал сложно фокусиране, характерно за оптичните пинсети.

Резултатите са в пълно съответствие с математическия модел. Когато лазерът е бил включен, метаджетът се е отделил от дъното на кюветата, достигнал е определена височина, стабилизирал се е и е започнал праволинейно движение в хоризонталната равнина. Важна характеристика е липсата на неконтролируемо въртене. Тъй като използваните силициеви цилиндри са с идеално кръгло напречно сечение, устройството не зависи от поляризацията на падащата светлина и не изпитва паразитен оптичен въртящ момент, който често пречи на подобни експерименти. Движението следва точно вектора, заложен от инженерите при проектирането на геометрията на цилиндрите.

Контрол на характеристиките и скоростта

Изследователите показаха, че скоростта и посоката на движение могат да бъдат прецизно регулирани на етапа на производство чрез промяна на разположението на суперклетките. При експериментите са тествани метаджанти, състоящи се от различен брой цилиндри в една клетка: от 3 до 8 броя.

Логиката на управление се основава на следния принцип: колкото по-малко са цилиндрите в една клетка, като се запазва общата стъпка на решетката, толкова по-рязко се променя фазата на преминаващата светлина. Структура от 3 цилиндъра създава по-стръмен фазов градиент, отколкото структура от 8 цилиндъра. По-стръмният градиент води до по-голям ъгъл на отклонение на лъча. Максималният ъгъл на пречупване, съчетан с високата ефективност на пропускане на светлината (която достига 78%), генерира най-голяма хоризонтална реактивна сила.

При експерименти в течна среда метаджетът с конфигурация от 3 цилиндъра на суперклетка показва най-висока хоризонтална скорост от около 7 микрометра в секунда. Моделирането и практическите измервания потвърдиха пряката връзка между архитектурата на нано-релефа и кинетичните характеристики на обекта.

Значение на технологията и възможността за мащабиране

Основната разлика между технологията на метаджетите и предишните техники за оптична манипулация е нейната способност за мащабиране. Традиционните градиентни оптични пинцети не могат да преместват обекти, които са значително по-големи от размера на фокусираната светлинна точка. При метаджетите това ограничение е премахнато. Задвижващата сила се генерира от повърхността на самото устройство при преминаването на електромагнитната вълна през него. Това означава, че големината на метафотонната сила е правопропорционална на площта на осветената метаповърхност и мощността на падащото лъчение. Няма ограничения за размера на самия обект.

На микроскопично ниво тази разработка открива пътя към създаването на нов клас автономни микророботи, работещи в течна среда. В бъдеще такива устройства биха могли да се използват в медицината за целенасочена доставка на лекарства в кръвоносната система. Тъй като те не се нуждаят от вградени захранващи устройства, двигатели или магнитни елементи, движението им може да се контролира външно с помощта на инфрачервени лазери, чието излъчване може безопасно да прониква в биологичните тъкани.

На макроскопично ниво предложеният физичен и математически модел може да бъде приложен за пълно модернизиране на проектите за изследване на космоса. Съществуващите концепции за космически светлинни платна включват сложни и тежки механични системи за ориентиране, тъй като светлината може да придвижи напред само право платно. Интегрирането на метаповърхности с определен фазов градиент в материал за платна с площ от няколко квадратни метра би позволило на апарата сам да променя траекторията на полета си.За да се завърти или измести сондата, ще е достатъчно да се освети определен участък от платното с мощен земен или орбитален лазер, чиято структурирана повърхност сама ще преобразува налягането на директния лъч в необходимия векторен импулс.