Учени създават миниатюрен притеглящ лъч (видео)

Ваня Милева Последна промяна на 23 януари 2023 в 00:01 4201 0

Създадени са микроскопични притеглящи лъчи. Могат ли да бъдат увеличени? Кредит: Designed by upklyak / Freepik

Защо да не може да се създаде притеглящ лъч, при положение, че фотоните са преносители на електромагнитната сила? Магнетизмът и гравитацията са естествени сили, които могат да привличат обекти, така че идеята не е толкова екстравагантна. 

Идеята за устройство, работещо с лъчи, което може да премести обект от разстояние, идва от научнофантастичен разказ от 1931 г., наречен "SpaceHounds of IPC".

Благодарение на научната фантастика, на филми като "Стар Трек" и "Междузвездни войни", притеглящите (тракторните) лъчи изглеждат нещо обичайно.

И макар конструирането на истински притеглящ лъч да не е лесно, те вече са реалност, въпреки че обхватът им е микроскопичен.

Микроскопичните притеглящи лъчи се използват в устройства, наречени оптични пинцети, за разработването на които бе присъдена Нобелова награда за физика през 2018 година. Оптичните пинсети използват лазери за преместване на микроскопични обекти като атоми и наночастици. Те се използват в биологията, нанотехнологиите и медицината.

Това е оптична пинсета, наречена NanoTracker 2 на JPK Instruments. Кредит на изображението: JPK Instruments, AG, Берлин, Германия.

Тези притеглящи лъчи работят върху микроскопични обекти, но не са достатъчно силни, за да издърпат по-големи макроскопични обекти.

Сега екип изследователи, ръководен от Лей Уан (Lei Wang) от Университета за наука и технологии ЦинДао в Китай, успешно демонстрира макроскопичен притеглящ лъч. Те са публикували статия в списание Optics Express, в която обясняват работата си. 

"В предишни изследвания силата на привличане на светлината бе твърде малка, за да привлече макроскопичен обект", разказва Уан. "При нашия нов подход силата на привличане на светлината има много по-голяма амплитуда. Всъщност тя е повече от три порядъка по-голяма от светлинното налягане, използвано за задвижване на слънчево платно, което използва импулса на фотоните, за да упражнява малка изтласкваща сила."

Този макроскопичен притеглящ лъч работи само при определени лабораторни условия, така че това е демонстрация, а не практическа разработка. Поне засега.

На първо място, той работи върху специално създадени материали: макроскопични композитни обекти от графен и SiO2, които изследователите са създали за експериментите. На второ място, той работи в разредена газова среда, която е с много по-ниско налягане от земната атмосфера. Макар това да ограничава ефективността им тук, на Земята, не навсякъде има толкова високо атмосферно налягане, колкото на нашата планета.

"Нашата техника осигурява безконтактен подход за привличане на големи разстояния, който може да бъде полезен за различни научни експерименти", обяснява Уан. "Средата с разредени газове, която използвахме, за да демонстрираме техниката, е подобна на тази, която се намира на Марс. Следователно тя може да има потенциал за манипулиране на возила или самолети на Марс един ден."

Устройството им работи на принципа на газовото нагряване. Лазерът нагрява композитните обекти, но едната страна е по-нагорещена от другата. Газовите молекули от задната страна получават повече енергия, която придърпва обекта. В комбинация с по-ниското налягане в разредената газова среда обектът се движи.

Тази фигура от изследването илюстрира как работи макроскопичният притеглящ лъч. А показва лазерът, който удря парче от проба материал CGL-SiO2 (Compact Grade Laminate) и го нагрява. Това изтласква материала от светлината. В показва същото, но този път CGL има покритие от прозрачен материал с ниска топлопроводимост. (жълто.) В този случай се създава сила на привличане. Wang et al. 2023.

Изследователите са построили торсионно (или въртящо се) махало, направено от тяхната композитна структура от графен и SiO2, за да демонстрират феномена на лазерното привличане. При тази демонстрация то става видимо с невъоръжено око. Те използват друго устройство, за да измерят ефекта.

Използвайки торсионно (или въртящо се) махало, изработено от тяхната композитна структура от графен и SiO2, изследователите демонстрират феномена на лазерното привличане по начин, който е видим с просто око. След това те използват традиционно гравитационно махало, за да измерят количествено силата на лазерното привличане. И двете устройства са били дълги около пет сантиметра.

"Установихме, че силата на притегляне е с повече от три порядъка по-голяма от налягането на светлината", коментира Уан. "Освен това лазерното притегляне е повтаряемо и силата може да се настройва чрез промяна на мощността на лазера."

През последните години и други изследователи се занимават с притеглящи лъчи, но със смесени резултати. НАСА се интересува от идеята за използване на притеглящи лъчи за събиране на проби с марсохода Curiosity. Един от инструментите на Curiosity е ChemCam. Той включва лазер, който изпарява скала или реголит, и след това микрокамера за спектроскопично измерване на компонентите му. Но НАСА се пита дали притеглящият лъч може да привлече малки частици от изпарената проба в марсохода за по-пълно изследване.

Тази илюстрация показва как Curiosity изстрелва лазера си ChemCam към скално образувание. Ако марсоходът разполагаше с притеглящ лъч, той би могъл да привлече микроскопични частици в бордовата си лаборатория за по-задълбочено изследване. Кредит: NASA.

В презентация на НАСА от 2010 г. се казва: "Ако в ChemCam2 бъде включена технологията на притеглящия лъч за привличане на прахови и плазмени частици, притеглящите лъчи биха могли да добавят набор от допълнителни научни възможности:

  • лазерна десорбционна йонна спектроскопия
  • масспектрометрия
  • Раманова спектроскопия
  • рентгенова флуоресценция"

В същата презентация се казва, че притеглящите лъчи биха могли да се използват за събиране на частици от опашките на кометите, ледени шлейфове на Енцелад и дори облаци в земната атмосфера или други атмосфери.

Това така и не се осъществи, но илюстрира колко убедителна е идеята.

Новото изследване дава интересни резултати, макар че не е близо до реално практическо приложение. Необходима е много работа и инженеринг, преди изобщо да се доближи до практиката. От една страна, трябва да има добре разбрана теоретична основа, която да описва как ефектът действа върху обекти с различни размери и форми и с лазери с различна мощност в различни атмосфери.

Изследователите, разбира се, знаят това, но изтъкват, че все пак това е ефективна демонстрация на осъществимостта.

"Нашата работа демонстрира, че гъвкавото манипулиране със светлина на макроскопичен обект е осъществимо, когато взаимодействията между светлината, обекта и средата са внимателно контролирани", обяснява Уан. "Тя също така показва сложността на взаимодействията между лазера и материята и че много явления са далеч от разбиране както в макро, така и в микромащаб."

Важното е, че това изследване придвижва напред притеглящите лъчи от микроскопичния към макроскопичния мащаб. Това е значителен праг, който е трудно да бъде преминат. "Тази работа разширява обхвата на оптичното притегляне от микромащаб към макромащаб, което има голям потенциал в макромащабните оптични манипулации", пишат авторите в заключението си.

Космическите кораби може би ще използват един ден притеглящите лъчи, но е малко вероятно е да изглеждат и да се използват в битки като тези от "Междузвездни войни" и "Стар Трек".

Всъщност могат да се окажат ценни научни инструменти.

Справка: Lei Wang, Shige Wang, Qiuling Zhao, and Xia Wang, "Macroscopic laser pulling based on the Knudsen force in rarefied gas," Opt. Express 31, 2665-2674 (2023) https://doi.org/10.1364/OE.480019 

Източник: Scientists Build a Teeny Tiny Tractor Beam, Universe Today

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !