Лазерный захват: от фантастики к реальности
Ученые из Австралийского национального университета создали лазер, способный передвигать стеклянные сферы на расстояние 20 сантиметров - такого результата еще не удавалось добиться никому. Кроме того, в отличие от предыдущих моделей, новый лазер может двигать объекты в самых разных направлениях. Результаты эксперимента опубликованы в журнале Nature Photonics.
До того специалисты Австралийского национального университета поводили в этой сфере немало экспериментов. Среди их изобретений - притягивающий луч для использования на воде. По словам возглавившего разработку доктора Хорста Пунцмана, созданные определенным способом волны могут заставить плавающий объект двигаться против течения - притягивающий луч буквально подталкивает предмет к цели. Такая технология может быть полезна, например, в сдерживании разливов нефти или маневрировании объектами против течения воды.
В активе австралийцев также устройство, передвигающее предметы с помощью так называемого оптического вихря. Вихрь загонял стеклянные сферы в темный центр луча, вследствие чего ими становилось довольно просто управлять. Эта технология и стала основой новейшего лазера Австралийского национального университета, представленного на днях.
Действует устройство следующим образом. Энергия лазера нагревает воздух, который создает горячие точки на одной стороне поверхности стеклянной сферы. Тепло отводит молекулы воздуха в сторону, в результате чего крошечная оболочка сферы тянется в том же направлении, а объект движется в противоположном. Благодаря изменению поляризации лазерного луча сфера может менять направление движения или просто останавливаться. Поскольку мощность лазерных лучей с расстоянием не падает, новое устройство способно работать на больших расстояниях. Ученые утверждают, что таким образом можно передвигать предметы на нескольких метров. Они убеждены, что постепенное увеличение мощности и расстояния позволит однажды создать установку, которая будет притягивать и отталкивать целые космические корабли.
Притягивающие лучи, которые используют энергию для передвижения объектов или даже целых космических кораблей, часто встречаются в фантастических романах и фильмах со времен сериала Star Trek. Но все понимали, что такие устройства противоречат законам физики: световое давление должно отталкивать любое тело, а не притягивать его. И вот неожиданно такие устройства стали реальностью - пусть пока не в таких масштабах, как в фантастике, но ведь надо с чего-то начинать. Причем такие лучи уже начинают использоваться в разных сферах: при сборке самых миниатюрных роботов, для перемещения частиц в лабораторных экспериментах и манипулирования биологическими клетками в медицинских исследованиях. Над подобными технологиями работают многие мировые лаборатории.
Первопроходцами в этой сфере стали в 2011 году физики из университета Фудань в Шанхае совместно с их коллегами из университета науки и технологии в Гонконге, а также учеными из
Правда, для создания этого эффекта требуется особый лазер Бесселя, создающий одноименные пучки. Они обладают особой структурой спадов и пиков. Если смотреть на такой луч в разрезе, то он похож на концентрические окружности. А самое главное, что фотоны в таком луче движутся под углом к его направлению. И если особым образом организовать пучок Бесселя и направить его к объекту под углом, то создастся сила, которая будет направлена в противоположную сторону. Таким образом, начнется перемещение объекта в направлении источника излучения.
Год спустя профессор Дэвид Раффнер и Дэвид Грайер из Нью-Йоркского университета усовершенствовали технологию китайцев. Они тоже использовали пучки Бесселя, но взяли за основу другую схему, более простую. Грайер и Рафнер наложили два луча друг на друга, и меняя их фазы и силу. Такой метод позволяет захватывать предметы, перемещая их в любом направлении.
Физики из Университета Данди также разработали акустический притягивающий луч, который может перемещать объекты. Этого удалось добиться с помощью ультразвуковой энергии для приложения силы позади объекта и передвижения его в направлении ультразвукового устройства. Чешские ученые из Института научного создали лазер, передвигающий плавающие в воде крошечные шарики из полистирола. В исследовании, опубликованном в журнале Nature Photonics, говорится, что изменение поляризации света, направленного на небольшие предметы, заставляет последние двигаться то в одну, то в другую сторону. Для проведения эксперимента ученые собрали довольно простую конструкцию из микроскопа, двух лазеров и компьютера, который управляет поляризацией. Развивая идею лучевого притяжения, научный коллектив шотландского университета в городе Сент-Эндрюс продемонстрировал, что двумерное управление микрочастицами можно осуществлять за счет вращения плоскости поляризации лучей.
Возможность использования притягивающих лазеров изучают и в американском космическом агентстве NASA. Удаленный захват предметов решит проблему взятия образцов с поверхности или из атмосферы небесных тел. Сегодня приходится разрабатывать сложные механизмы для посадки, взятия проб и последующего взлета, которые удорожают космические программы и увеличивают шансы неудачи экспедиции из-за возможности крушения. Если удастся изобрести притягивающий луч, образцы для анализа можно будет брать прямо с орбиты или с небольшого расстояния, например, подлетев вплотную к астероиду.