真黑科技!中国科学家造出“牵引光束”!科幻成真?

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发布时间:2023-05-09 03:45

“随着一束光线落下,整个人都飞了起来,被拉进了上方的飞船。”这是只有在科幻电影中才能看见的画面,现在却正在被科学家们实现。


用光来牵引物体对于公众和科学家来说,都是一个令人激动的话题。虽然听起来有些反常识,但其实并非不可能。

自四百年前德国天文学家开普勒,试图理解彗星尾巴背离太阳的现象以来,人们就逐渐发现光其实也拥有能量和动量。


这一发现,启发了人们为外太空飞行器制作太阳帆的构想。也意味着光束可用于各种类型的光学操作,例如悬浮和旋转。

这不,中国研究人员就开发出了一种使用激光拉动宏观物体的方法,是激光牵引首次用于较大物体的案例之一。之所以这么说,是因为以前已经有不少微纳物体的光学牵引案例。


在过去的几十年中,科学家已经在真空、气体介质和液体中实现了包括悬浮、推动和旋转在内的各种光学操作,其中最典型的方法要属“光镊”和“激光原子气体的冷却”。

以光镊为例,顾名思义就是用光做的镊子。这是固定尺寸极小的物体,例如细菌、病毒等用以观察的重要工具。而这背后的原理其实并不复杂。


日常生活中,我们经常能看到光穿过玻璃、水等透明介质时会发生折射。而光也是拥有动量的,所以当其运动方向发生改变时,也就存在力的作用。


基于此,假设当一束激光通过玻璃小球的右侧并向左折射时,相当于光受到了一个向左的力,同时也给玻璃小球带去了一个向右的反作用力。


因此两束平行的光就能锁住玻璃小球,反之就能移动玻璃小球。甚至通过控制光线的焦点,还能将小球“吸”向光源方向。


于是基于此原理,在1987年,科学家无意中发现,可以用一束激光实现对细菌这样的活生命体的无损伤的三维捕获,自此基于激光的光镊技术诞生了。


但自上个世纪90年代以来,此类技术的研究进展非常缓慢,始终停留在微观层面。因此科学家们一直在研究新型的光学操作,基于动量传递和能量传递的物理原理,提出了多种光束牵引方案。

例如由中国研究人员于近期发表在《Optics Express》上的研究,就介绍了一种在稀薄气体中,激光对宏观物体的牵引方式,也是激光牵引首次用于较大物体的案例之一。


上图:激光可用于将宏观物体拉向它

为此,他们开发了一种石墨烯气凝胶/二氧化硅的双层复合结构,当用激光照射时,该结构在远离激光的一侧变热,产生一个反向的温度差。

这意味着该结构背离激光的一面的气体分子会收到更多的能量,并将物体推向光源。将这一点与稀薄气体环境的低气压相结合,研究人员能够获得足以移动宏观物体的激光拉力。


上图:激光拉力的测量原理

而为了获得更精确的数据,在实验中,研究人员选择使用轻质扭摆装置定性地描述了激光牵引现象,用重力摆装置测量了激光牵引力。并在真空室内进行,内部空气压力为5 Pa。

在没有激光照射的情况下,扭摆不动。随后一束波长为532nm的连续高斯激光束,从右至左照射在石墨烯气凝胶/二氧化硅的双层复合结构的背面——二氧化硅层上。


上图:宏观激光拉动机理及扭摆实验装置

而当照射在材料上的激光功率达到60mW,观察到扭摆逆时针旋转,宏观石墨烯气凝胶/二氧化硅样品被拉向光源。

此外,为研究激光功率与扭摆转角之间的关系,他们利用波长为488nm的激光束照射在材料上,并通过将激光功率逐渐从17mW增加到85mW,发现扭摆的最大旋转角度从1°增加到8.3°。


上图:不同激光波长的宏观激光拉动

最终更令人兴奋的是,他们发现产生的拉力比光压大三个数量级以上。并且激光拉动是可重复的,而且力还可以通过改变激光功率来调控。

不过需要注意的是,研究人员警告说,这项工作只是概念证明,该技术的许多方面都需要改进才能实用。未来还有很长的路要走。


但无论如何,该实验成功将光学牵引的范围从微观扩展到宏观,不再像之前那样只能控制细菌病毒,为宏观光学操作提供了有效的技术途径。

同时研究人员表示,他们用来演示该技术的稀薄气体环境与在火星上发现的环境相似。因此,它有可能有一天操纵火星上的车辆或飞机。


因此咱们完全可以大胆想象一下,航天员从飞船上射下一段光束,照在火星车上,火星车就飞离火星表面,被召回了。这是多么美妙的一件事情啊!

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