Свет содержит энергию и импульс, оба из которых могут быть использованы для различных оптических манипуляций, таких как левитация и вращение. За последние десять лет оптическая тяга микро- и нанообъектов (клеток, атомов, наночастиц и т.д.) была продемонстрирована несколько раз. Сегодня он часто используется в биологии и нанотехнологиях. Оптическая тяга макроскопического объекта, с другой стороны, гораздо сложнее в реализации, поскольку, очевидно, требует гораздо большей мощности.

Команда из Университета науки и технологии Циндао (Китай) объявила о том, что ей удалось достичь этой цели, и представила свой притягивающий луч в журнале Optics Express. «В предыдущих исследованиях сила притяжения света была слишком слабой, чтобы притянуть макроскопический объект. При нашем новом подходе сила тяги имеет гораздо большую амплитуду. Фактически, оно более чем на три порядка превышает давление света, используемое для управления солнечным парусом, который использует импульс фотонов для оказания небольшой толкающей силы«, — сказал Лей Ванг, первый автор исследования.

Исследователи показывают, что лазерный свет можно использовать для притягивания к себе макроскопического объекта.

Притягивающий луч, разработанный Вангом и его сотрудниками, успешно перемещал композитный объект на основе графена и кремнезема (SiO2): передний слой был сделан из сшитого графена, а задний — из SiO2. Этот материал был использован на торсионном маятнике, с помощью которого исследователи смогли продемонстрировать явление лазерной тяги так, как это видно невооруженным глазом. Они также использовали гравитационный маятник для количественного измерения силы притяжения лазера; оба устройства были около пяти сантиметров в длину.

(A) Лазер поражает образец композитного материала и нагревает его: это заставляет материал удаляться от света. (B) Здесь материал покрыт прозрачным слоем с низкой теплопроводностью (желтым цветом): в этом случае создается растягивающая сила. (C) Блок-схема торсионного маятникового устройства: композитный материал прикреплен к концу маятникового рычага.

Когда объект облучается лазерным лучом, молекулы газа в задней части объекта получают больше энергии и таким образом «толкают» объект в сторону источника света. Этот эффект в сочетании с низким давлением (5 Па) среды, в которой проводился эксперимент, вызывает смещение объекта. Тяговое усилие (0,8 мкН) было значительно выше, чем давление излучения (около 0,28 нН), и может регулироваться изменением мощности лазера.

(A-C) Размеры и детали материала устройства гравитационного маятника. (D) Фотография маятника без лазерного воздействия. (E) Фотография маятника под лазерным воздействием с длиной волны 488 нм и мощностью 85 мВт. Наблюдаемое смещение составляет около 2,5 мм, а соответствующая сила лазерной тяги оценивается в 0,8 мкН.

Однако следует отметить, что композитный объект был специально разработан для эксперимента и что он проводился в очень специфических лабораторных условиях (при низком атмосферном давлении).

Хотя эффективность этого притягивающего луча на Земле в настоящее время находится под вопросом, он может оказаться полезным на других планетах: «Среда разреженного газа, которую мы использовали для демонстрации метода, похожа на ту, что есть на Марсе. Поэтому в один прекрасный день она может быть пригодна для управления транспортными средствами или самолетами на Марсе«, — объясняет Ванг.

Техника, которая все еще нуждается в совершенствовании

Исследователи отмечают, что многие аспекты этой методики еще предстоит усовершенствовать, прежде чем ее можно будет реально использовать. Для начала, команде необходимо заставить свой притягивающий луч работать в более широком диапазоне давлений воздуха. Кроме того, необходима теоретическая модель для точного прогнозирования тягового усилия лазера как функции различных параметров (таких, как геометрия объекта, энергия лазера и окружающая среда).

Между тем, их исследование является убедительным доказательством концепции. «Наша работа демонстрирует, что гибкое манипулирование макроскопическим объектом с помощью света возможно, если тщательно контролировать взаимодействие между светом, объектом и средой«, — сказал Ванг. Исследование также подчеркнуло сложность взаимодействия лазера с веществом и тот факт, что многие явления еще далеки от полного понимания, как в макро-, так и в микромасштабах, добавил он.

Само НАСА уже рассматривало возможность использования притягивающих лучей для сбора марсианских образцов, поясняет Universe Today. Марсоход Curiosity оснащен прибором спектроскопического анализа лазерной абляции ChemCam: лазер испаряет породу, а образовавшаяся плазма анализируется дистанционно с помощью спектроскопии. Если бы притягивающий луч мог втягивать частицы реголита непосредственно в ровер, можно было бы провести гораздо более полный анализ.

Аналогичным образом, эти лучи могут быть использованы для сбора частиц из хвостов комет или из облаков в атмосфере Земли или на других планетах. Таким образом, эта концепция имеет важные последствия для освоения космоса.