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                加州理工學院科學家找到用光懸浮物體的方法

                北極蚊子 2019-4-1 14:36

                從一百萬公里之外射來的光束,徑直照在飛船的接收器上,在光的推動下,飛船迅速起步,掠入深空。

                這本應是科幻小說中的場景,但加州理工學院的研究人員設計了一種方法,使得以光為動力的星際旅行,至少在理論上有點靠譜了。

                研究人員通過在物體表面創建特定的納米級圖案,實現了只用光來懸浮和推動物體。

                由加州理工學院工程與應用科學部 Howard Hughes 教授完成的這項工作,為研究光驅動航天器提供了理論基礎。相關論文發表在 Nature Photonics 上。

                圖|在物體表面創建特定的納米級圖案,實現了只用光來懸浮和推動物體(圖源:由Atwater實驗室)

                利用光來控制物體,在三十多年前就實現了。美國科學家 Arthur Ashkin 發明了光鑷(optical tweezers)。

                光鑷,又被稱為光學鑷子或光鉗,是一種通過高度聚焦激光束產生力(量級通常為皮牛頓級),并以此移動微小透明物體的裝置。這種技術可以用于移動細胞或病毒顆粒,把細胞捏成各種形狀,或者冷卻原子。

                由于光鑷的力可以精準地直接作用于細胞甚至更小的目標,因此在生物學方面的應用變得越來越廣泛。而 Arthur Ashkin 也因“光學鑷子及其在生物系統中的應用”,在 96 歲時獲得了 2018 年諾貝爾物理學獎,他也是迄今年齡最大的獲獎者。

                現在,研究人員通過這種新方法,將光束操縱物體的范圍大大拓寬了,包括小到幾微米、大到幾米的許多不同形狀和尺寸的物體。而這其中最關鍵的一點, 就是在物體表面創建特定的納米級圖案。

                這種圖案會與光相互作用,使物體在受到擾動時能夠調整自身,從而產生一個恢復扭矩,使其保持在光束中。因此,物體不依賴于高度聚焦的激光束,其本身的納米“編碼”可以調整其穩定性。

                從理論上講,如果在航天器表面構建納米級的圖案“編碼”,并由地球上的激光加速,那么航天器就可以達到很高的速度,甚至接近光速飛行,并有可能到達其他恒星。同時,在沒有燃料推進的情況下,這種航天器可以由幾百萬公里以外的光源提供動力以及加速度,在 20 年內到達離地球最近的太陽系外行星。

                加州理工學院人工光合作用聯合中心的主任 Atwater 教授表示:“我們已經提出了一種可以懸浮宏觀物體的方法!边@同時也帶出一個大膽而有趣的應用設想,這種技術可能可以作為新一代航天器的推進手段。

                但要想真正做到這一點,研究人員還有漫長的一段路要走。實際上,在懸浮實驗中,這一方法受到的限制也很大。該論文的第一作者、加州理工學院博士后 Ognjen Ilic 就給出形象的比喻:“吹風機吹出的穩定氣流使乒乓球懸浮起來。但如果乒乓球太大,或者離吹風機太遠,諸如此類的情況都不會發生!

                目前研究人員正在測試光驅動飛行器的理論基礎是否可靠。到目前為止,他們的工作在現實世界中仍未經過測試。

                但這仍然是一個令人遐想的發現。想象一下,如果該理論得到證實,這項技術將使航天器以接近光速的速度推進,并為持續性的星際旅行開辟一個全新的可能性領域。

                到那個時候,我們也許不再需要花很多時間精力在發射器,而只是需要一個巨大的手電筒。

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