Onderzoekers van Caltech hebben een manier ontworpen om objecten te laten zweven en voort te stuwen met alleen licht, door specifieke patronen op nanoschaal te creëren op de oppervlakken van de objecten.

Hoewel nog theoretisch, het werk is een stap in de richting van de ontwikkeling van een ruimtevaartuig dat over 20 jaar de dichtstbijzijnde planeet buiten ons zonnestelsel kan bereiken, alleen door licht aangedreven en versneld.

Een paper waarin het onderzoek wordt beschreven, verschijnt online in het nummer van 18 maart van het tijdschrift Natuurfotonica . Het onderzoek is gedaan in het laboratorium van Harry Atwater, Howard Hughes hoogleraar Toegepaste Natuurkunde en Materiaalkunde aan de afdeling Engineering en Toegepaste Wetenschappen van Caltech.

Decennia geleden, de ontwikkeling van zogenaamde optische pincetten stelde wetenschappers in staat om kleine objecten te verplaatsen en te manipuleren, zoals nanodeeltjes, gebruikmakend van de stralingsdruk van een scherp gerichte laserstraal. Dit werk vormde de basis voor de Nobelprijs voor de Natuurkunde 2018. Echter, optische pincetten zijn alleen in staat om zeer kleine objecten te manipuleren en alleen op zeer korte afstanden.

Ognjen Ilic, postdoctoraal wetenschapper en de eerste auteur van de studie, geeft een analogie:"Je kunt een pingpongbal laten zweven met een gestage luchtstroom uit een föhn. Maar het zou niet werken als de pingpongbal te groot zou zijn, of als het te ver weg was van de föhn, enzovoort."

Met dit nieuwe onderzoek objecten in veel verschillende vormen en maten - van micrometers tot meters - konden worden gemanipuleerd met een lichtstraal. De sleutel is om specifieke patronen op nanoschaal op het oppervlak van een object te creëren. Dit patroon werkt op zo'n manier samen met licht dat het object zichzelf kan herstellen wanneer het wordt verstoord, het creëren van een herstellend koppel om het in de lichtstraal te houden. Dus, in plaats van zeer gerichte laserstralen te vereisen, De patronen van de objecten zijn ontworpen om hun eigen stabiliteit te 'coderen'. De lichtbron kan ook miljoenen kilometers verwijderd zijn.

"We hebben een methode bedacht die macroscopische objecten kan laten zweven, " zegt Atwater, die ook de directeur is van het Gemeenschappelijk Centrum voor Kunstmatige Fotosynthese. "Er is een gedurfd interessante toepassing om deze techniek te gebruiken als een middel voor de voortstuwing van een nieuwe generatie ruimtevaartuigen. We zijn nog lang niet klaar om dat daadwerkelijk te doen, maar we zijn bezig met het testen van de principes."

In theorie, dit ruimtevaartuig kan worden gemodelleerd met structuren op nanoschaal en worden versneld door een op aarde gebaseerd laserlicht. Zonder brandstof te hoeven vervoeren, het ruimtevaartuig kan heel hoog reiken, zelfs relativistische snelheden en mogelijk reizen naar andere sterren.

Atwater voorziet ook dat de technologie hier op aarde kan worden gebruikt om een ​​snelle productie van steeds kleinere objecten mogelijk te maken, zoals printplaten.

Het artikel is getiteld "Zelfstabiliserende fotonische levitatie en voortstuwing van nanogestructureerde macroscopische objecten." De financiering werd verstrekt door het Air Force Office of Scientific Research.