请选择 进入手机版 | 继续访问电脑版
 找回密码
 立即注册
戴客 首页 科技资讯 空间技术 航天 查看内容

加州理工学院科学家找到用光悬浮物体的方法

北极蚊子 2019-4-1 14:36

从一百万公里之外射来的光束,径直照在飞船的接收器上,在光的推动下,飞船迅速起步,掠入深空。

这本应是科幻小说中的场景,但加州理工学院的研究人员设计了一种方法,使得以光为动力的星际旅行,至少在理论上有点靠谱了

研究人员通过在物体表面创建特定的纳米级图案,实现了只用光来悬浮和推动物体

由加州理工学院工程与应用科学部 Howard Hughes 教授完成的这项工作,为研究光驱动航天器提供了理论基础。相关论文发表在 Nature Photonics 上。

图|在物体表面创建特定的纳米级图案,实现了只用光来悬浮和推动物体(图源:由Atwater实验室)

利用光来控制物体,在三十多年前就实现了。美国科学家 Arthur Ashkin 发明了光镊(optical tweezers)。

光镊,又被称为光学镊子或光钳,是一种通过高度聚焦激光束产生力(量级通常为皮牛顿级),并以此移动微小透明物体的装置。这种技术可以用于移动细胞或病毒颗粒,把细胞捏成各种形状,或者冷却原子。

由于光镊的力可以精准地直接作用于细胞甚至更小的目标,因此在生物学方面的应用变得越来越广泛。而 Arthur Ashkin 也因“光学镊子及其在生物系统中的应用”,在 96 岁时获得了 2018 年诺贝尔物理学奖,他也是迄今年龄最大的获奖者。

现在,研究人员通过这种新方法,将光束操纵物体的范围大大拓宽了,包括小到几微米、大到几米的许多不同形状和尺寸的物体。而这其中最关键的一点, 就是在物体表面创建特定的纳米级图案。

这种图案会与光相互作用,使物体在受到扰动时能够调整自身,从而产生一个恢复扭矩,使其保持在光束中。因此,物体不依赖于高度聚焦的激光束,其本身的纳米“编码”可以调整其稳定性

从理论上讲,如果在航天器表面构建纳米级的图案“编码”,并由地球上的激光加速,那么航天器就可以达到很高的速度,甚至接近光速飞行,并有可能到达其他恒星。同时,在没有燃料推进的情况下,这种航天器可以由几百万公里以外的光源提供动力以及加速度,在 20 年内到达离地球最近的太阳系外行星。

加州理工学院人工光合作用联合中心的主任 Atwater 教授表示:“我们已经提出了一种可以悬浮宏观物体的方法。”这同时也带出一个大胆而有趣的应用设想,这种技术可能可以作为新一代航天器的推进手段

但要想真正做到这一点,研究人员还有漫长的一段路要走。实际上,在悬浮实验中,这一方法受到的限制也很大。该论文的第一作者、加州理工学院博士后 Ognjen Ilic 就给出形象的比喻:“吹风机吹出的稳定气流使乒乓球悬浮起来。但如果乒乓球太大,或者离吹风机太远,诸如此类的情况都不会发生。”

目前研究人员正在测试光驱动飞行器的理论基础是否可靠。到目前为止,他们的工作在现实世界中仍未经过测试。

但这仍然是一个令人遐想的发现。想象一下,如果该理论得到证实,这项技术将使航天器以接近光速的速度推进,并为持续性的星际旅行开辟一个全新的可能性领域。

到那个时候,我们也许不再需要花很多时间精力在发射器,而只是需要一个巨大的手电筒。

文章点评