Pomysł podróży przez przestrzeń międzygwiezdną za pomocą statku kosmicznego napędzanego przez ultracienne żagle może brzmieć jak powieści science fiction. Ale w rzeczywistości program rozpoczął się w 2016 roku przez Stephena Hawkinga i Yuri Milnera znanego jako przełomowa inicjatywa Starshot, badają ten pomysł. Pojęcie polega na użyciu laserów do napędzania miniaturowych sond kosmicznych przymocowanych do „światła światła”, aby osiągnąć ultraszybkie prędkości, a ostatecznie nasz najbliższy system gwiazd, Alpha Centauri.
Caltech prowadzi światową społeczność pracującą nad osiągnięciem tego zuchwałego celu. „Lightsail będzie podróżował szybciej niż jakikolwiek poprzedni statek kosmiczny, z potencjałem ostatecznie otwierania odległości międzygwiezdnych do bezpośredniego eksploracji statku kosmicznego, które są teraz dostępne tylko przez zdalne obserwacje” – wyjaśnia Harry Atwater, przewodniczący przywódczy Otis Booth Division of Engineering and Applied Science oraz Howard Hughes Professor of Applied Physics and Material Science w Caltech.
Teraz Atwater i jego koledzy z Caltech opracowali platformę do scharakteryzowania membran ultraciennych, które pewnego dnia można użyć do tworzenia tych świateł. Ich platforma testowa obejmuje sposób pomiaru siły, jaką lasery wywierają na żagle, i która zostanie wykorzystana do wysyłania statku kosmicznego w przestrzeni. Eksperymenty zespołu oznaczają pierwszy krok w przejściu od teoretycznych propozycji i projektów światła światła do faktycznych obserwacji i pomiarów kluczowych pojęć i potencjalnych materiałów.
„Istnieje wiele wyzwań związanych z opracowaniem membrany, które mogłyby ostatecznie być używane jako światło światła. Musi wytrzymać ciepło, utrzymywać swój kształt pod ciśnieniem i stabilnie jeździć wzdłuż osi wiązki laserowej” – mówi Atwater. „Ale zanim zaczniemy budować taki żagiel, musimy zrozumieć, w jaki sposób materiały reagują na presję promieniowania ze strony laser Móc.”
Artykuł opisujący dzieło pojawia się w czasopiśmie Nature Photonics. Głównymi autorami artykułu są postoktoranckie uczony w fizyce stosowanej Lior Michaeli i absolwent fizyki Applied Physics Ramon Gao (MS '21), oba z Caltech.
Celem jest scharakteryzowanie zachowania swobodnie poruszającego się światła. Ale jako pierwszy krok, aby rozpocząć badanie materiałów i sił napędowych w laboratorium, zespół stworzył miniaturowy światło światła, które są uwięzione w rogach w większej membranie.
Naukowcy wykorzystali sprzęt w Kavli Nanoscience Institute w Caltech i technikę zwaną litografią wiązki elektronów, aby ostrożnie wzorować membranę z krzemowego azotku zaledwie 50 nanometrów grubości, tworząc coś, co wygląda jak mikroskopowa trampolina. Mini trampolina, kwadratowa o szerokości zaledwie 40 mikronów i 40 mikronów, jest zawieszona w zakątkach krzemowym azotkiem. Następnie zespół uderzył w błonę światłem laserowym argonowym o widocznej długości fali. Celem było pomiar ciśnienia promieniowania, jakiego doświadczył miniaturowy światło światła poprzez pomiar ruchów trampoliny, gdy porusza się w górę i w dół.
Ale obraz z perspektywy fizyki zmienia się, gdy żagiel jest uwięziony, mówi współczynnik Michai. „W tym przypadku dynamika staje się dość złożona”. Żagiel działa jako rezonator mechaniczny, wibrujący jak trampolina po uderzeniu światłem. Kluczowym wyzwaniem jest to, że wibracje te są napędzane głównie ciepłem z wiązki laserowej, co może maskować bezpośredni efekt ciśnienia promieniowania. Michaeli mówi, że zespół zamienił to wyzwanie w przewagę. „Nie tylko unikaliśmy niepożądanych efektów grzewczych, ale także wykorzystaliśmy to, czego dowiedzieliśmy się o zachowaniu urządzenia, aby stworzyć nowy sposób pomiaru siły światła”.
Nowa metoda pozwala urządzeniu działać dodatkowo jako miernik mocy do pomiaru zarówno siły, jak i mocy wiązki laserowej.
„Urządzenie reprezentuje mały światło światła, ale duża część naszej pracy opracowała i realizowała schemat precyzyjnego pomiaru ruchu wywołanego przez siły optyczne dalekiego zasięgu”, mówi autor Gao.
Aby to zrobić, zespół zbudował tak zwany interferometr ścieżki wspólnej. Zasadniczo ruch można wykryć przez zakłócenia dwóch wiązek laserowych, w których jedna uderza w próbkę wibrującą, a drugie ślady sztywne miejsce. Jednak w interferometrze wspólnej ścieżki, ponieważ dwie wiązki przejechały prawie tę samą ścieżkę, napotkały te same źródła hałasu środowiskowego, takie jak sprzęt działający w pobliżu, a nawet ludzie rozmawiają, a sygnały te zostają wyeliminowane. Pozostaje tylko bardzo mały sygnał z ruchu próbki.
Inżynierowie zintegrowali interferometr z mikroskopem, którego użyli do badania miniaturowego żagla i umieścili urządzenie w niestandardowej komorze próżniowej. Następnie byli w stanie zmierzyć ruchy żagla tak małe jak pikometry (bilionami metra), a także jego sztywność mechaniczną – to znaczy, ile sprężyn zdeformowano, gdy żagiel został wypchnięty przez ciśnienie promieniowania lasera.
Ponieważ naukowcy wiedzą, że światło światła w przestrzeni nie zawsze pozostanie prostopadłe do źródła lasera na Ziemi, następnie pod kątem wiązki laserowej naśladują to i ponownie zmierzyli siłę, z jaką laser pchnął mini żagiel. Co ważne, naukowcy uwzględniali wiązkę laserową rozprzestrzeniającą się pod kątem, a zatem brakuje próbki w niektórych obszarach poprzez kalibrując swoje wyniki do mocy lasera mierzonej przez samo urządzenie. Jednak siła w tych okolicznościach była niższa niż oczekiwano. W artykule naukowcy wysuwają hipotezę, że część wiązki, skierowana pod kątem, uderza w krawędź żagla, powodując rozproszenie części światła i wysłania w innych kierunkach.
Patrząc w przyszłość, zespół ma nadzieję wykorzystać nanonauka i metamateriały-materiały starannie zaprojektowane w tej niewielkiej skali, aby mieć pożądane właściwości-aby kontrolować ruch z boku i obrotu miniaturowego światła światła.
„Celem byłoby zatem sprawdzenie, czy możemy użyć tych nanostrukturalnych powierzchni, aby na przykład przekazać siłę przywracającą lub moment obrotowy do światła światła”, mówi Gao. „Gdyby światło światła miało poruszyć lub obrócić się z wiązki laserowej, chcielibyśmy, aby sam poruszał się lub obrócił”.
Naukowcy zauważają, że mogą mierzyć ruch po stronie i obrót za pomocą platformy opisanej w pracy. „Jest to ważny krok w kierunku obserwacji sił optycznych i momentów zaprojektowanych tak, aby umożliwić swobodnie przyspieszającą światła światła na wiązkę laserową”, mówi Gao.
Artykuł „Bezpośrednie pomiary ciśnienia promieniowania dla błon świetlnych” został opublikowany 30 stycznia. Wraz z Atwater, Michaeli i Gao, dodatkowymi autorami Caltech w gazecie są starszy naukowiec Michael D. Kelzenberg (PhD '10), były postdoktorancki Scholar Claudio U. Hail i profesor badań John E. Sader. Adrien Merkt jest także autorem artykułu, który uczestniczył w projekcie jako absolwent Eth Zürich. Prace były wspierane przez Air Force Office of Scientific Research i przełomowa inicjatywa Starshot.