Wissenschaftler entwickeln Licht-basierte Methode zum Schweben und Antreiben von Objekten

Zwar noch theoretisch, aber die Technologie kann Objekte verschiedener Größen und Formen mit einem Lichtstrahl schweben lassen. Sie könnte auch laserangetriebene Raumfahrzeuge für Weltraumforschung ermöglichen.

Funktionsweise

Die Fähigkeit von Licht, Kräfte und Drehmomente auszuüben, ist Schlüsseloptischer Materialmanipulation. Für stabile Manipulation muss die Quelle starkes genug Fangpotenzial aufweisen.

In den letzten Jahrzehnten entwickelten Wissenschaftler zahlreiche Ansätze für lichtbasierte mechanische Manipulation – besonders optische Pinzetten, die Strahlungsdruck eines Laserstrahls nutzen, um winzige Objekte zu bewegen. Diese Methode war Basis für den Physik-Nobelpreis 2018.

Heute fokussieren Wissenschaftler Levitationsdynamik in optomechanischen Systemen für Quanten-Superposition und Grundzustandskühlung.

Die meisten bestehenden Techniken manipulieren jedoch nur mikroskopische Objekte auf sehr kurzen Distanzen. Wie einen Pingpongball mit Föhn-Luftstrom schweben lassen – funktioniert nicht, wenn Ball zu schwer oder zu weit weg.

Forscher am Caltech enthüllten nun eine Methode, um Objekte verschiedener Größen und Formen mit einem Lichtstrahl zu manipulieren. Das theoretische Kunststück basiert auf einzigartigen Nanoskalen-Mustern, die auf die Oberfläche des lichtangetriebenen Objekts graviert sind.

Wie es funktioniert

Die einzigartigen Nanoskalen-Muster interagieren mit Licht so, dass das Objekt sich in der Luft balanciert und ein rückstellendes Drehmoment erzeugt, um es im Strahl zu halten. Diese Muster kodieren ihre eigene Stabilität, wodurch hochfokussierte Laserstrahlen überflüssig werden. Die Lichtquelle kann Millionen Kilometer entfernt sein.

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

Diese selbststabilisierende optische Manipulation makroskopischer Objekte lässt sich durch Kontrolle der Anisotropie der Lichtstreuung entlang der Objektfläche erreichen.

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

Forscher suchten Asymmetrie in der optischen Antwort, um sicherzustellen, dass ein rückstellendes Drehmoment für eine aus Gleichgewichtsorientierung verschobene Struktur erzeugt werden kann. Sie betonten Erzeugung einer passenden Antwort als Kollektiveffekt und entwickelten eine Gruppe nanophotonischer Elemente, die passive selbst-rückstellende Dynamik zeigen.

Anwendungen

Zwar noch theoretisch, aber die Technologie könnte lichtbetriebene Raumfahrzeuge ermöglichen, die Planeten außerhalb unseres Sonnensystems besuchen. Ein weiter Weg, aber Forscher testen derzeit die Prinzipien.

Das Raumschiff könnte mit speziellen Nanoskalen-Mustern geätzt und durch einen erdgebundenen Laserstrahl angetrieben/beschleunigt werden. Es könnte relativistische Geschwindigkeiten erreichen und ferne Sterne besuchen – ohne Treibstoff.

Bevor diese Lichtantriebstheorie Raumfahrzeuge antreibt, könnte sie Fertigung kleinerer Objekte wie Leiterplatten verbessern.