과학자들은 빛만 사용하여 물체를 공중에 띄우고 추진하는 방법을 설계합니다

• 아직 이론상이지만 이 기술을 사용하여 광선으로 다양한 크기와 모양의 물체를 공중에 띄울 수 있습니다.
• 우주 탐사를 위한 레이저 추진 우주선 개발에도 사용될 수 있습니다.

힘과 토크를 발휘하는 빛의 능력은 재료의 광학적 조작의 핵심 기능 중 하나입니다. 이 조작을 안정적으로 만들려면 소스가 충분히 강력한 트래핑 가능성을 보여야 합니다.

지난 수십 년 동안 과학자들은 빛을 기반으로 한 기계적 조작을 위한 수많은 접근 방식, 특히 레이저 빔의 복사 압력을 사용하여 작은 물체를 이동하고 조작하는 광학 핀셋을 생각해 냈습니다. 이 방법은 2018년 노벨 물리학상의 기초가 되었습니다.

오늘날 과학자들은 양자 역학 중첩 및 바닥 상태 냉각을 실현하기 위한 광기계 시스템의 부상 역학에 집중하고 있습니다.

그러나 기존 기술의 대부분은 매우 짧은 거리에서만 미세한 물체를 조작할 수 있습니다. 마치 헤어드라이어의 기류를 사용하여 탁구공을 공중에 띄우는 것과 같습니다. 공이 너무 무겁거나 헤어 드라이어에서 너무 멀리 떨어져 있으면 작동하지 않습니다.

최근 캘리포니아 공과 대학의 연구원들은 광선으로 다양한 크기와 모양의 물체를 조작하는 데 사용할 수 있는 방법을 공개했습니다. 이론적 위업은 빛으로 추진되는 물체의 표면에 새겨진 독특한 나노스케일 패턴에 의존합니다.

작동 방식

독특한 나노스케일 패턴은 물체가 공중에서 균형을 이룰 수 있는 방식으로 빛과 상호 작용하여 빔에 물체를 유지하기 위한 복원 토크를 생성합니다. 이러한 패턴은 고유한 안정성을 인코딩할 수 있어 고도로 집중된 레이저 빔이 필요하지 않습니다. 사실 광원은 수백만 킬로미터 떨어져 있습니다.

참고:네이처 포토닉스 | doi:10.1038/s41566-019-0373-y | 칼텍

거시적인 물체의 자가 안정화 광학 조작은 물체의 표면을 따라 산란되는 빛의 이방성을 제어함으로써 얻을 수 있습니다.

자체 안정화 조작을 위한 광학 이방성 엔지니어링 | 연구원 제공

연구원들은 평형 방향에서 벗어난 구조에 대해 복원 토크가 생성될 수 있는지 확인하기 위해 광학 응답에서 비대칭을 찾았습니다. 그들은 집단 효과로서 적절한 반응을 생성하는 것을 강조하고 수동적 자가 회복 역학을 나타낼 수 있는 나노 광자 요소 그룹을 개발했습니다.

응용 프로그램

아직 이론상이지만 이 기술은 태양계 외부의 행성을 방문할 수 있는 빛 동력 우주선을 개발하는 데 사용할 수 있습니다. 갈 길이 멀지만 연구원들은 현재 원칙을 테스트하고 있습니다.

우주선은 특별한 나노스케일 패턴으로 에칭될 수 있고 지구 기반 레이저 빔에 의해 구동/가속될 수 있다. 그들은 상대론적 속도에 도달할 수 있고 연료를 운반하지 않고도 먼 별을 방문할 수 있습니다.

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그러나 이 가벼운 추진 이론이 우주선에 동력을 공급하는 데 사용되기 전에 회로 기판과 같은 더 작은 물체의 제조를 촉진할 수 있습니다.