Светишь прямо — летит вбок: как новая технология световой тяги сделает межзвездные корабли управляемыми

Идея использования света для перемещения физических объектов разрабатывается в науке уже довольно давно. Физически процесс построен на том, что фотоны, несмотря на отсутствие массы покоя, обладают импульсом. При столкновении с материей свет передает ей этот импульс, который и создает физическое давление. До сих пор технологии оптического манипулирования развивались по двум основным направлениям. Первое — это оптические пинцеты, которые используют сложную систему линз для фокусировки лазерного луча в микроскопическую точку, что позволяет захватывать и удерживать клетки или молекулы. Второе — концепция солнечных парусов, где свет толкает объект по прямой линии, в направлении своего распространения.

Обе технологии связаны с физическими и инженерными трудностями. Оптические пинцеты требуют идеальной фокусировки и работают только с объектами, размер которых сопоставим с шириной самого лазерного луча. Классическое давление света на плоскую поверхность, в свою очередь, не позволяет управлять объектом: чтобы изменить направление движения, необходимо механически повернуть сам объект по отношению к источнику света. Задача заставить предмет перемещаться в трехмерном пространстве, используя прямой, плоский и нефокусированный луч света, долгое время считалась трудновыполнимой.

Группа инженеров и физиков из Техасского университета A&M и Северо-Восточного университета США предложила новый механизм решения этой проблемы. В исследовании, опубликованном в научном издании Newton, авторы описали создание микроскопических устройств, получивших название «метаджеты». Эти объекты способны одновременно подниматься вверх и двигаться в заданном горизонтальном направлении под воздействием лазерного луча, направленного строго перпендикулярно снизу вверх. Управление вектором тяги в этой системе осуществляется не за счет изменения положения источника света, а за счет физической структуры поверхности самого движущегося устройства.

Физическая структура: как работают метаповерхности

Основой разработки стала технология метаповерхностей. Метаповерхность — это искусственно созданная структура, которая позволяет управлять электромагнитными волнами за счет своей геометрии на масштабах, меньших длины волны падающего света. Вместо использования традиционных химических покрытий или оптических линз, исследователи меняют траекторию света с помощью физического рельефа.

Конструктивно метаджет представляет собой прозрачную подложку из диоксида кремния, на которой в строгом порядке расположены кремниевые цилиндры. Высота каждого цилиндра фиксирована и составляет 500 нанометров, однако их диаметр варьируется. Эти цилиндры объединены в повторяющиеся группы, которые исследователи называют суперъячейками. Внутри каждой суперъячейки диаметр цилиндров последовательно увеличивается от одного края к другому.

Когда плоская световая волна падает на такую структуру, она проходит сквозь цилиндры разной толщины. Чем толще кремниевый цилиндр, тем сильнее он замедляет проходящую через него часть световой волны (изменяет ее фазу). Поскольку цилиндры расположены в порядке увеличения толщины, на выходе из структуры формируется так называемый фазовый градиент. Волна, вошедшая в материал строго вертикально, выходит из него под заданным углом. Этот процесс в физике называется аномальным преломлением. Структура работает как дефлектор, перенаправляя свет исключительно за счет своей наноразмерной геометрии.

Механика направленного движения: синтез оптики и ньютоновской механики

Новшество данного исследования заключается в том, как именно оптическое преломление преобразуется в кинетическую энергию для самого устройства. Авторы работы объединили обобщенный закон преломления Снеллиуса с законом сохранения импульса и Третьим законом Ньютона (сила действия равна силе противодействия).

Поскольку свет несет импульс, изменение направления луча означает изменение вектора импульса. Прямой лазерный луч попадает в метаджет снизу, а выходит сверху под углом. Чтобы компенсировать это изменение и сохранить общий баланс в физической системе, на саму кремниевую структуру начинает действовать реактивная сила. Ученые ввели для нее специальный термин — «метафотонная сила».

Вектор этой реактивной силы можно разделить на две составляющие. Первая составляющая направлена вертикально вверх: она возникает из-за давления падающего света и заставляет объект подниматься над поверхностью, преодолевая гравитацию (левитация). Вторая составляющая направлена горизонтально: она толкает метаджет в сторону, строго противоположную тому направлению, куда преломляется вышедший луч света. Таким образом, устройство получает стабильную боковую тягу от прямого источника энергии.

Проведение эксперимента и подтверждение расчетов

Для проверки теоретической базы инженеры перешли к практическим испытаниям. Производство метаджетов потребовало применения методов электронной литографии. Сначала на подложке формировался массив из миллионов кремниевых цилиндров. Затем с помощью химического травления (удаления специального жертвенного слоя хрома) готовые микроскопические устройства отделялись от пластины.

Для проведения эксперимента метаджеты были помещены в прозрачную кювету, заполненную обычной водой. Снизу кювету освещали фемтосекундным лазером с длиной волны 1000 нанометров. Лазерный луч был направлен вертикально и не имел сложной фокусировки, типичной для оптических пинцетов.

Результаты полностью совпали с математической моделью. При включении лазера метаджет отрывался от дна кюветы, выходил на определенную высоту, стабилизировался и начинал прямолинейное движение в горизонтальной плоскости. Важной особенностью стало отсутствие какого-либо неконтролируемого вращения. Поскольку используемые кремниевые цилиндры имеют идеально круглую форму в сечении, устройство не зависит от поляризации падающего света и не испытывает паразитного оптического крутящего момента, который часто мешает в подобных экспериментах. Движение происходило точно по вектору, заложенному инженерами при проектировании геометрии цилиндров. (Изображения и графики экспериментов исследования находятся под некоммерческой лицензией, поэтому я не могу привести их в своей статье. Для ознакомления, пожалуйста, обратитесь к оригинальному источнику, нажав на этот текст. Прим. автора)

Контроль характеристик и скорости

Исследователи доказали, что скорость и направление движения можно точно настраивать на этапе производства, меняя компоновку суперъячеек. В ходе экспериментов тестировались метаджеты, состоящие из разного количества цилиндров в одной ячейке: от 3 до 8 штук.

Логика управления строится на следующем принципе: чем меньше цилиндров в ячейке при сохранении общего шага решетки, тем резче изменяется фаза проходящего света. Структура из 3 цилиндров создает более крутой фазовый градиент, чем структура из 8 цилиндров. Более крутой градиент приводит к большему углу отклонения луча. Максимальный угол преломления в сочетании с высокой эффективностью пропускания света (которая достигла 78%) генерирует наибольшую горизонтальную реактивную силу.

В результате экспериментов в жидкой среде метаджет с конфигурацией из 3 цилиндров на суперъячейку продемонстрировал самую высокую скорость горизонтального перемещения, составившую около 7 микрометров в секунду. Моделирование и практические замеры подтвердили прямую зависимость между архитектурой нанорельефа и кинетическими характеристиками объекта.

Значение технологии и возможности масштабирования

Главное отличие технологии метаджетов от предыдущих методов оптического манипулирования заключается в ее способности к масштабированию. Традиционный градиентный оптический пинцет не может перемещать объекты, которые значительно превышают размер сфокусированной точки света. В случае с метаджетами это ограничение снимается. Движущая сила генерируется самой поверхностью устройства в момент прохождения через нее электромагнитной волны. Это означает, что величина метафотонной силы прямо пропорциональна площади освещаемой метаповерхности и мощности падающего излучения. Ограничений на размер самого объекта не существует.

На микроскопическом уровне эта разработка открывает путь к созданию нового класса автономных микророботов, работающих в жидких средах. В перспективе такие устройства могут применяться в медицине для адресной доставки препаратов в кровеносной системе. Поскольку они не требуют встроенных источников питания, двигателей или магнитных элементов, их движение можно будет контролировать извне с помощью инфракрасных лазеров, излучение которых способно безопасно проникать сквозь биологические ткани.

На макроскопическом уровне предложенная физическая и математическая модель может быть применена для полной модернизации проектов в области космических исследований. Существующие концепции космических световых парусов предполагают использование сложных и тяжелых механических систем ориентации, так как свет может только толкать прямой парус вперед. Интеграция метаповерхностей с заданным фазовым градиентом в материал паруса площадью в несколько квадратных метров позволит аппарату изменять траекторию полета самостоятельно. Для поворота или смещения зонда будет достаточно осветить мощным земным или орбитальным лазером определенный участок паруса, структурированная поверхность которого сама преобразует давление прямого луча в необходимый векторный импульс.

Источник:Newton