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Gegenstände mit Licht schweben lassen

Konzeptionelle Darstellung eines nano-gemusterten Objekts, das sich neu orientiert, um in einem Lichtstrahl zu bleiben. Kredit: Mit freundlicher Genehmigung des Atwater-Labors

Forscher von Caltech haben eine Möglichkeit entwickelt, Objekte nur mit Licht zu schweben und voranzutreiben, indem sie auf den Objektoberflächen spezifische Muster im Nanomaßstab erzeugen.


Obwohl immer noch theoretisch, ist die Arbeit ein Schritt auf dem Weg zur Entwicklung eines Raumfahrzeugs, das in 20 Jahren den nächsten Planeten außerhalb unseres Sonnensystems erreichen könnte und nur durch Licht angetrieben und beschleunigt wird.

Ein Artikel, der die Forschung beschreibt, erscheint online in der Ausgabe des Journals vom 18. März Natur Photonik. Die Forschung wurde im Labor von Harry Atwater, Howard Hughes, Professor für Angewandte Physik und Materialwissenschaft in der Caltech-Abteilung für Ingenieurwissenschaften und Angewandte Wissenschaften, durchgeführt.

Durch die Entwicklung sogenannter optischer Pinzetten konnten Wissenschaftler vor Jahrzehnten winzige Objekte wie Nanopartikel mit Hilfe des Strahlungsdrucks eines scharf fokussierten Laserlichtstrahls bewegen und manipulieren. Diese Arbeit bildete die Grundlage für den Nobelpreis für Physik 2018. Optische Pinzetten können jedoch nur sehr kleine Objekte und nur sehr kurze Entfernungen bearbeiten.

Ognjen Ilic, Postdoktorand und Erstautor der Studie, stellt eine Analogie vor: "Man kann einen Ping Pong-Ball mit einem gleichmäßigen Luftstrom aus einem Fön schweben lassen. Aber es würde nicht funktionieren, wenn der Ping-Pong-Ball zu groß wäre wenn es zu weit vom Fön entfernt wäre und so weiter. "

Mit dieser neuen Forschung konnten Objekte mit vielen verschiedenen Formen und Größen – von Mikrometern bis zu Metern – mit einem Lichtstrahl manipuliert werden. Der Schlüssel ist das Erstellen bestimmter Muster im Nanomaßstab auf der Oberfläche eines Objekts. Diese Musterung wirkt mit dem Licht so zusammen, dass sich das Objekt bei einer Störung selbst ausrichten kann, wodurch ein Wiederherstellungsdrehmoment erzeugt wird, um es im Lichtstrahl zu halten. Anstatt stark fokussierte Laserstrahlen zu erfordern, ist das Muster der Objekte so gestaltet, dass sie ihre eigene Stabilität "kodieren". Die Lichtquelle kann auch Millionen von Kilometern entfernt sein.

"Wir haben eine Methode entwickelt, mit der sich makroskopische Objekte anheben lassen", sagt Atwater, der auch Direktor des Joint Centre for Artificial Photosynthesis ist. "Es gibt eine kühne interessante Anwendung, um diese Technik als Mittel zum Antrieb einer neuen Generation von Raumfahrzeugen einzusetzen. Wir sind weit davon entfernt, dies tatsächlich zu tun, aber wir sind gerade dabei, die Prinzipien zu testen."

Theoretisch könnte dieses Raumfahrzeug mit nanoskaligen Strukturen strukturiert und durch einen Laser auf der Erde beschleunigt werden. Ohne Treibstoff transportieren zu müssen, könnte das Raumfahrzeug sehr hohe, sogar relativistische Geschwindigkeiten erreichen und möglicherweise zu anderen Sternen fliegen.

Atwater sieht auch vor, dass die Technologie hier auf der Erde eingesetzt werden könnte, um immer kleinere Objekte wie Leiterplatten schnell herstellen zu können.

Die Arbeit trägt den Titel "Selbststabilisierende photonische Levitation und Antrieb nanostrukturierter makroskopischer Objekte". Die Finanzierung erfolgte durch das Luftwaffenamt für wissenschaftliche Forschung.


Weitere entdecken:
Die Forschung ebnet den Weg für die nächste Generation optischer Pinzetten

Mehr Informationen:
Selbststabilisierende photonische Levitation und Antrieb nanostrukturierter makroskopischer Objekte. Natur Photonik doi.org/10.1038/s41566-019-0373-y

Zeitschriftenreferenz:
Natur Photonik

Zur Verfügung gestellt von:
Kalifornisches Institut der Technologie

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