Lysstyrke - fra atomer til rumfartøjer

Lysstyrke – fra atomer til rumfartøjer

Andrei Bogdanov, Kandidat i Fysisk og Matematisk Videnskab
Mikhail Petrov, Kandidat i Fysisk og Matematisk Videnskab
Pavel Ginzburg, Ph.D.
Alexander Shalin, Kandidat i Fysisk og Matematisk Videnskab, ITMO Universitet (Skt. Petersborg)
"Kommersant Science" №3, maj 2017

Ideen om let tryk, der først blev udtrykt for 400 år siden, finder i dag anvendelse på mange forskellige områder. Lette pincet giver dig mulighed for at styre placeringen af ​​mikro- og nanoobjekter. Optiske fælder gjorde det muligt at skabe kunstige gitter af atomer. "Solar sejl" accelererer rumfartøjer. Undersøgelsen af ​​optomekaniske effekter er et af de hurtigst voksende områder inden for moderne fysik.

Moderne teknologier tillader os at studere egenskaberne hos individuelle nanopartikler, molekyler og endda atomer. Grundlæggende teoretiske grundlag for moderne optisk teknologi blev lagt af Maxwell, Hertz, Huygens, Fresnel, Einstein og andre store forskere for over et århundrede siden. Imidlertid begyndte de hurtigste optiske teknologier at udvikle sig i midten af ​​det sidste århundrede efter laserens opfindelse, det fiberoptiske kommunikationssystem og opladningskoblede enheder (dette er en speciel klasse af halvleder-enheder).Alle disse opfindelser er allerede blevet en del af vores daglige liv.

Fotoner – lyspartikler (kvant af elektromagnetisk stråling), som mekaniske partikler, har energi, momentum og vinkelmoment. Ved kollision med materielle genstande kan fotonet overføre dem energi, momentum og vinkelmoment. Enkelt sagt kan lys lægge pres på materielle genstande eller endda få dem til at bevæge sig. Overraskende nok blev denne hypotese fremført langt før udviklingen af ​​teorien om elektromagnetisme i 1619 af Johann Kepler, der bemærkede, at komets hale blev rettet væk fra solen. Teorien, der forklarede den mekaniske virkning af lys, blev udviklet af James Clerk Maxwell i 1862. Faktisk viste denne teori, at Newtons anden lov kan være anvendelig i tilfælde af interaktion mellem elektromagnetisk stråling med materie, dvs. den mængde impuls, der overføres af lys til en materiel objekt pr. Tidsenhed, er lig med den kraft, der virker på dette objekt.

Let tryk

P.N. Lebedev (1866-1912)

Den mekaniske virkning af lys, der bekræfter Maxwells teori, blev først opdaget eksperimentelt af den russiske forsker Peter Lebedev i 1899.Lebedev præsenterede resultaterne af sin forskning i 1900 i Paris (P. Lebedew, Annalen der physik, 1901, 311, 433).

En skematisk fremstilling af den enhed, som Lebedev har foreslået til måling af let tryk, er vist i figuren. Den består af to runde plader, hvoraf den ene er sort og absorberer lys, mens den anden strålende reflekterer lys. Pladerne er monteret på modsatte ender af en lysstang suspenderet på en tyndt kvarts tråd. Hele strukturen blev anbragt i et glasbeholder, hvorfra luft blev pumpet ud. Når det reflekteres fra et spejl, overfører lys til det en tidsenhed dobbelt så meget puls, som lyset hænger på en absorberende plade af samme område. Dette fører til vridning af tråden, som blev målt af P. N. Lebedev. Det er værd at bemærke, at den faktiske installation var noget mere kompliceret, da det var nødvendigt at undgå virkningerne forbundet med utilstrækkeligt højt vakuumniveau og ujævn opvarmning af installationsdetaljerne.

Skematisk repræsentation af den eksperimentelle opsætning til måling af let tryk foreslået af P. N. Lebedev

Lette pincet

Den næste væsentlige præstation inden for mekanisk påvirkning af lys på materie var opfindelsen af ​​optiske pincet.I 1970 viste den amerikanske videnskabsmand Arthur Ashkin eksperimentelt muligheden for at fange mikroskopiske partikler i en fokuseret laserstråle (A. Ashkin, Fysiske Review Letters, 1970, 24(4), 156).

Princippet om optisk retention er ret simpelt. Det er velkendt, at en dielektrisk partikel anbragt i et elektrisk felt med en amplitude E, polariseret, bliver en dipol. Emerging dipole moment d proportional med feltets amplitude: d = αE (faktor α – den såkaldte polarisation).

Energien af ​​en sådan partikel i marken kan være omtrent lig med W = −dE = −α|E|2.

Ifølge lovene i klassisk mekanik har tendensen tendens til at komme til en stat med den mindste potentielle energi. I vores tilfælde nås den mindste potentielle energi ved punktet med den maksimale elektriske feltstyrke, det vil sige ved laserstråles fokus (se figur). Således vil laserstrålens fokus være en stabil ligevægtsposition og vil skabe en potentiel brønd. Enhver afvigelse fra dens centrum vil forårsage en kraft, som returnerer partiklen til området med høj intensitet af lys, det vil sige til strålens fokus.

Billede af optisk pincet, foreslået af A. Ashkin (til venstre).Formålet med eksperimentet at holde bolden i luftstrømmen, foreslået af Heron of Alexandria

Den mekaniske analoge af den optiske fælde, der tilskrives den græske forsker Heron of Alexandria, er meget grafisk. Han lagde en lys bold på enden af ​​røret, i hvilken luften blev tvunget. Luftstrømmen holdt bolden i luften, da bolden forsøgte at hoppe ud af strålen, viste en kraft, der bragte den tilbage.

Den elektromagnetiske fælde, der foreslås af Ashkin, kaldes ofte optiske pincet. I dag har optiske pincet modtaget en enorm udvikling. De giver mulighed for præcis positionskontrol og bevægelse af individuelle mikro- og nanoobjekter, hvilket gør dem til et vigtigt redskab til grundlæggende og anvendt forskning. Optiske pincet spiller en central rolle i biologi, da det gør det muligt at holde biologiske objekter med minimal indvirkning på dem udefra. Ved anvendelse af optiske pincetter er det f.eks. Muligt at måle de mekaniske egenskaber hos DNA-molekyler (Neuman K. C. og A. Nagy, Naturmetoder, 2008, 5, 491), såvel som deres styrke på grund af andre biologiske strukturer, såsom RNA-polymerase.

Optiske fælder

Ashkins ideer blev udviklet og anvendt af hans kollega Stephen Chu til at holde og afkøle atomer til temperaturer på mikro- og nano-Kelvin. I 1997 modtog Steven Chu, William Filipps og Claude Cohen-Tannuji en nobelpris i fysik for en cyklus af køling af atomer ved hjælp af laserstråling. Det skal bemærkes, at en række resultater inden for laserkøling af atomer blev opnået af den sovjetiske fysiker Vladilen Letokhov før Ashkins arbejde (V. S. Letokhov, Letters to JETP, 1968, 7, 348). Ifølge mange eksperter kunne Letokhov være på listen over 1997 nobelpristagere.

Undersøgelsen af ​​interaktionen mellem DNA-molekylet og RNA-polymerasemolekylet ved gentranskription ved anvendelse af to optiske fælder og nanopartikler

I dag er optisk indeslutning i de såkaldte magneto-optiske fælder et af de vigtige værktøjer til undersøgelse af kvantesystemer, da det giver forskning med minimal indvirkning. Således blev der især kort efter deres opfindelse opnået den såkaldte Bose-Einstein-kondensation af neutrale atomer af natrium og kalium. Tidligere blev dette unikke fænomen kvantefysik kun observeret i faste stoffer og væsker og var ansvarlig for sådanne fænomener som superledningsevne og superfluiditet.I 2001 blev Eric Cornell, Wolfgang Catterley og Karl Wiemann også tildelt Nobelprisen i Fysik til forsøg på Bose-Einstein-kondensation af atomer. I dag lykkes forskere at opfange enkelte atomer såvel som at holde tiere og tusindvis af atomer, bygge dem i periodiske kæder og todimensionale og tredimensionale rumlige gitter med optiske fælder (I. Bloch, J. Dalibard og S. Nascimbene, Naturfysik, 2012, 8, 267).

Formålet med eksperimentet om retention af enkelt rubidiumatomer i et periodisk potentiale

Holdpotentialet skabes på grund af interferens (interaktion) af bølger, der rejser i tre indbyrdes vinkelret retninger. Atomer er fanget i en sådan optisk fælde, der danner en kunstig todimensionel eller tredimensionel gitter. Tilstedeværelsen af ​​atomer i fælden kan detekteres ved at måle mønsteret af deres luminescens-luminescens. For at gøre dette er de fangede atomer ophidset af en pulserende lysstråle, og derefter genoprettes deres placering af det detekterede luminescensmønster.

"Sunny Sail"

En anden original anvendelse af lysets mekaniske egenskaber er "solseglen", som bruger lysets tryk for at give trækkraft til rumfartøjer.Forslaget om at bruge rummet sejl for første gang i 1920'erne blev udtrykt af den sovjetiske fysiker og opfinder Friedrich Zender (ofte efternavnet er skrevet som Zander). Det første rumfartskib IKAROS (Eng. Interplanetære Kite-håndværk accelereret af stråling af solen) blev kun lanceret i 2010 af Japan Aerospace Exploration Agency. En af satellitets vigtigste opgaver – testen af ​​"solsigling" til interplanetarisk rejse – blev løst med succes. I 2020 planlægges det at lancere en anden enhed med et større sejlområde.

Optisk stråle af tiltrækning

Siden tiderne med Lebedevs eksperimenter blev det antaget, at lys kun kan lægge pres på objekter, dvs. skubbe dem væk fra lyskilden. Den optiske stråle, der tiltrækker genstande, der er kendt for mange fra film og bøger, var indtil for nylig et fantastisk fænomen. Men i 2010 var forskerne i stand til at teoretisk underbygge og demonstrere dette fænomen (V. G. Shvedov et al, Fysiske Review Letters105, 118103 (2010); S. Sukhov og A. Dogariu, Optik bogstaver, 2010, 35, 3847).

Sådan forestiller du dig en optisk stråle af attraktion science fiction og en fysiker

I dag er der mange muligheder for implementering af den optiske stråle af tiltrækning. I en af ​​de enkleste tilfælde falder to elektromagnetiske bølger, der er sammenhængende med hinanden (det vil sige udbredelse synkront) på en mikropartikel.I en sådan konfiguration spredes en partikel næsten alle stråling kun fremad. Derfor opstår der en ekstra impuls, der skubber partiklen tilbage mod strålekilderne.

Dette enkle eksempel viser, at for at realisere objektets tiltrækning til en lyskilde, er det nødvendigt, at efter fremspring på et objekt øges fremspringet af foton-momentet på aksen, der forbinder lyskilden og selve objektet.

Hvis du f.eks. Lægger en dråbe olie på vandoverfladen, bliver fotonens momentum i vandet større, og for at opfylde loven om bevarelse af momentum skal objektet begynde at bevæge sig mod lyskilden. En anden måde at implementere "stråle af attraktion" på er anvendelsen af ​​overfladebølger, for eksempel overfladeplasmoner (en slags elektrongas-svingninger), som bærer momentum langs overfladen, hvilket forårsager et modtryk, der virker på en genstand.

En dråbe olie på overfladen af ​​væsken, der bryder den indfaldende stråling, bevæger sig i retning af lyskilden (V. Kajorndejnukul et al, Natur fotonik, 2013, 7, 787). Realisering af attraktionstrålen ved anvendelse af overfladeplasmoner (M. I. Petrov et al, Laser & fotonik Anmeldelser, 2016, 10, 116)

Således er moderne teknologi allerede svært at forestille sig uden optisk kraft. Begge grundlæggende og anvendte deres betydning blev tydeligt for det videnskabelige samfund. Og hvis der inden for rumforskning er brug for dem stadig en tidstest, så er de ofte ikke erstattet på mikro- og nano-niveauerne. Dette unge videnskab og teknologiområde står ikke stille og udvikler sig aktivt, og vi håber, at dets frugter vil give os nye fantastiske opdagelser.

I dag er mange videnskabelige grupper rundt om i verden involveret i undersøgelsen af ​​optomechaniske virkninger. I Rusland fører Det Internationale Forskningscenter for Nanophotonics og Metamaterials på ITMO Universitetet i dette område. Inden for rammerne af det videnskabelige center udfører russiske forskere sammen med verdens førende universiteter ikke alene avanceret forskning inden for nanooptomekanik, men forbereder også unge forskere, holder internationale videnskabelige skoler og konferencer.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: