Wissenschaftler entwickeln eine Möglichkeit, Objekte nur mit Licht zu schweben und anzutreiben

• Obwohl dies noch theoretisch ist, kann die Technologie verwendet werden, um Objekte unterschiedlicher Größe und Form mit einem Lichtstrahl zum Schweben zu bringen.
• Es könnte auch verwendet werden, um laserbetriebene Raumschiffe für die Weltraumforschung zu entwickeln.

Die Fähigkeit des Lichts, Kräfte und Drehmomente auszuüben, ist eines der Schlüsselmerkmale der optischen Manipulation von Materialien. Um diese Manipulation stabil zu machen, muss die Quelle ein ausreichend starkes Einfangpotential aufweisen.

In den letzten Jahrzehnten haben Wissenschaftler zahlreiche Ansätze zur lichtbasierten mechanischen Manipulation entwickelt, insbesondere optische Pinzetten, die den Strahlungsdruck eines Laserstrahls verwenden, um winzige Objekte zu bewegen und zu manipulieren. Diese Methode bildete die Grundlage für den Physik-Nobelpreis 2018.

Heutzutage konzentrieren sich Wissenschaftler auf die Levitationsdynamik in optomechanischen Systemen, um quantenmechanische Superposition und Grundzustandskühlung zu realisieren.

Die meisten der existierenden Techniken können jedoch nur mikroskopische Objekte auf sehr kurze Distanzen manipulieren. Es ist, als würde man einen Tischtennisball mit einem Luftstrom aus einem Haartrockner schweben lassen. Es würde nicht funktionieren, wenn der Ball zu schwer wäre oder wenn er zu weit vom Fön entfernt wäre.

Kürzlich haben Forscher des California Institute of Technology eine Methode vorgestellt, mit der sich Objekte unterschiedlicher Größe und Form mit einem Lichtstrahl manipulieren lassen. Die theoretische Leistung beruht auf einzigartigen nanoskaligen Mustern, die auf der Oberfläche des lichtgetriebenen Objekts eingraviert sind.

Wie es funktioniert?

Die einzigartigen nanoskaligen Muster interagieren mit Licht in einer Weise, dass sich das Objekt in der Luft selbst ausbalancieren kann und ein Rückstelldrehmoment erzeugt, um es im Strahl zu halten. Diese Muster sind in der Lage, ihre eigene Stabilität zu kodieren, wodurch die Notwendigkeit hochfokussierter Laserstrahlen entfällt. Tatsächlich kann die Lichtquelle Millionen von Kilometern entfernt sein.

Referenz:Naturphotonik | doi:10.1038/s41566-019-0373-y | Caltech 

Diese selbststabilisierende optische Manipulation makroskopischer Objekte könnte durch Steuerung der Anisotropie der Lichtstreuung entlang der Oberfläche des Objekts erreicht werden.

Engineering optischer Anisotropie für selbststabilisierende Manipulation | Mit freundlicher Genehmigung der Forscher 

Die Forscher suchten nach Asymmetrie in der optischen Reaktion, um sicherzustellen, dass ein Rückstelldrehmoment für eine Struktur erzeugt werden kann, die aus ihrer Gleichgewichtsorientierung verschoben ist. Sie legten Wert darauf, eine angemessene Reaktion als kollektiven Effekt zu erzeugen, und entwickelten eine Gruppe nanophotonischer Elemente, die eine passive selbstwiederherstellende Dynamik aufweisen können.

Anwendungen

Obwohl noch theoretisch, kann die Technologie verwendet werden, um lichtbetriebene Raumschiffe zu entwickeln, die Planeten außerhalb unseres Sonnensystems besuchen könnten. Das ist ein langer Weg, aber Forscher testen derzeit die Prinzipien.

Das Raumfahrzeug könnte mit speziellen nanoskaligen Mustern geätzt und durch einen erdbasierten Laserstrahl angetrieben/beschleunigt werden. Sie könnten relativistische Geschwindigkeiten erreichen und möglicherweise entfernte Sterne besuchen, ohne Treibstoff dabei zu haben.

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Aber bevor diese Theorie des Lichtantriebs zum Antrieb von Raumfahrzeugen verwendet wird, könnte sie die Herstellung kleinerer Objekte wie Leiterplatten ankurbeln.