Cercetătorii au demonstrat un nou tip de manipulare optică: utilizarea luminii laser pentru a atrage un obiect macroscopic. Tehnologia are potențial pentru aplicații în explorările continue ale lui Marte.

Deși fascicule de tractare optice microscopice au fost demonstrate anterior, acesta este unul dintre primele cazuri în care tractarea/atragerea cu laser a fost utilizată pe obiecte mai mari.

Lumina conține atât energie, cât și impuls, care poate fi utilizat pentru diferite tipuri de manipulare optică, cum ar fi levitația și rotația. Pensetele optice, de exemplu, sunt instrumente științifice obișnuite care utilizează lumina laser pentru a ține și manipula obiecte minuscule, cum ar fi atomii sau celulele. În ultimii zece ani, oamenii de știință au lucrat la un nou tip de manipulare optică: utilizarea luminii laser pentru a crea o rază de tractor optic care ar putea atrage obiecte.

“În studiile anterioare, forța de tractiune a luminii era prea mică pentru a trage un obiect macroscopic”,

a declarat membrul echipei de cercetare Lei Wang de la Universitatea de Știință și Tehnologie din QingDao, China.

“Cu noua noastră abordare, forța de tragere a luminii are o amplitudine mult mai mare. De fapt, este cu peste trei ordine de mărime mai mare decât presiunea luminii folosită pentru a conduce o velă solară, care folosește impulsul fotonilor pentru a exercita o forță de împingere mică.”

În jurnalul Optics Express al Optica Publishing Group, Wang și colegii săi demonstrează că obiectele macroscopice compozite grafen-SiO2 pe care le-au proiectat pot fi utilizate pentru tractarea cu laser într-un mediu cu gaz rarefiat. Acest tip de mediu are o presiune mult mai mică decât presiunea atmosferică.

“Tehnica noastră oferă o abordare de tractare fără contact și la distanță lungă, care poate fi utilă pentru diverse experimente științifice”,

a declarat Wang.

“Mediul cu gaz rarefiat pe care l-am folosit pentru a demonstra tehnica este similar cu cel de pe Marte. Prin urmare, ar putea avea potențialul de a manipula într-o zi vehicule sau aeronave pe Marte.”

Crearea unei forțe suficiente:

În noua lucrare, cercetătorii au proiectat o structură compozită specială grafen-SiO2 specială pentru tractarea cu laser. Atunci când este iradiată cu un laser, structura creează o diferență de temperatură inversată, ceea ce înseamnă că partea opusă laserului se încălzește mai mult.

Când obiectele fabricate din structura compozită grafen-SiO2 sunt iradiate cu un fascicul laser, moleculele de gaz de pe partea lor din spate primesc mai multă energie și împing obiectul spre sursa de lumină. Combinând acest lucru cu presiunea scăzută a aerului dintr-un mediu cu gaz rarefiat, cercetătorii au reușit să obțină o forță de tragere cu laser suficient de puternică pentru a muta obiecte macroscopice.

Folosind un dispozitiv pendular torsional – sau rotativ – realizat din structura lor compozită grafen-SiO2, cercetătorii au demonstrat fenomenul tractarii cu laser într-un mod care a fost vizibil cu ochiul liber. Apoi, au folosit un pendul gravitațional tradițional pentru a măsura cantitativ forța de tractiune cu laser. Ambele dispozitive aveau aproximativ cinci centimetri lungime.

Tragere repetabilă, reglabilă:

“Am constatat că forța de tractiune era cu peste trei ordine de mărime mai mare decât presiunea luminii”,

a spus Wang.

“În plus, tragerea cu laser este repetabilă, iar forța poate fi reglată prin schimbarea puterii laserului.”

Cercetătorii avertizează că această lucrare este doar o dovadă de concept și că multe aspecte ale tehnicii ar trebui îmbunătățite înainte ca aceasta să fie practică. De exemplu, este necesar un model teoretic sistematic pentru a prezice cu acuratețe forța de tractare cu laser pentru parametrii dați, inclusiv geometria obiectului, energia laserului și mediile înconjurătoare. De asemenea, ar dori să îmbunătățească strategia de tractare cu laser astfel încât să poată funcționa pentru o gamă mai largă de presiuni ale aerului.

“Lucrarea noastră demonstrează că manipularea flexibilă a luminii a unui obiect macroscopic este fezabilă atunci când interacțiunile dintre lumină, obiect și mediu sunt controlate cu atenție”,

a declarat Wang.

“De asemenea, arată complexitatea interacțiunilor laser-materie și că multe fenomene sunt departe de a fi înțelese atât la scară macro, cât și la scară micro.”

Concluzie:

Această nouă descoperire ar putea avea o serie de aplicații potențiale, atât științifice, cât și spațiale. De exemplu, ar putea fi folosită pentru a manipula obiecte mici sau delicate în laborator, sau pentru a controla vehicule sau aeronave pe Marte. Cu toate acestea, mai multe cercetări sunt necesare pentru a dezvolta tehnica și a o face practică.

Sursa: www.optica.org/