توضيح لكيفية طفو جسم بنقوش نانوية يعيد توجيه نفسه ليبقى في شعاع الضوء.
Credit: Courtesy of the Atwater laboratory
يبدو أن رفع الأجسام باستخدام الضوء لم يعد خيالاً علمياً محضاً ، ابتكر باحثوا جامعة كالتك طريقة لجعل الأجسام المادية تطفو في الهواء أو عبر الفراغ من خلال تسليط شعاع ضوئي من الليزر على نقوش نانوية دقيقة موجودة على سطح تلك الأجسام .
ربما تكون هذه الخطوة بداية لإمكانية تطوير مركبات فضائية قادرة على الوصول لأقرب الكواكب الموجودة خارج نظامنا الشمسي باستخدام موجات الضوء فقط
يأتى هذا ضمن ورقة بحثية صدرت في 18 مارس بمجلة نيتشر فوتونيكس عن مختبر هاري أتووتر ، بواسطة هوارد هيوز أستاذ الفيزياء التطبيقية وعلوم المواد في قسم الهندسة والعلوم التطبيقية في جامعة كاليفورنيا للتكنولوجيا.
منذ عقود تم تطوير ما يمكن تسميته بالملاقط البصرية و التي كانت وظيفتها رفع الأجسام باستخدام الضوء ، مكنت هذه الملاقط العلماء من التقاط وتحريك أجسام نانوية مستخدمين الضغط الإشعاعي لشعاع قوي من ضوء الليزر . شكل هذا العمل الأساس لجائزة نوبل للفيزياء لعام 2018. ومع ذلك ، كانت مشكلة هذا الملقط البصري أنه قادر فقط على التعامل مع الأشياء الصغيرة جدًا وعلى مسافات قصيرة جدًا.
على سبيل المثال يمكن رفع كرة طاولة في الهواء مستخدمين مجفف شعر، لكن لابد و أن تكون الكرة معرضة لدفق متواصل و قريب من الهواء ، يصبح الأمر أصعب إذا كانت الكرة كبيرة جدا، أو بعيدة جدًا عن مجفف الشعر وهكذا .
البحث الجديد ، يقدم طريقة أكثر فعالية بحيث يمكن التعامل مع أجسام ذات أشكال وأحجام المختلفة – من ميكرومتر إلى متر – بحزمة ضوئية . يبشر هذا بإمكانية توظيف هذه التقنية كوسيلة لدفع جيل جديد من المركبات الفضائية. صحيح بعيدون عن فعل ذلك حالياً ، لكننا بصدد اختبار المبادئ اللازمة لتطبيق هذه التقنية.
المفتاح لهذه التقنية هو إنشاء نقوش محددة بحجم صغير جداً “نانوي”على سطح الجسم المراد رفعه . يتفاعل هذا النقش النانوي مع الضوء الساقط عليه بطريقة تجعل الجسم يصحح نفسه في المسار الصحيح عندما يكون مضطربًا ، مما يخلق عزم الدوران لاستعادة الاحتفاظ به في شعاع الضوء. وبالتالي ، بدلاً من الحاجة لإستخدام أشعة ليزر شديدة التركيز ، تم تصميم النقش لدعم استقرار الجسم الطافي ، وبحيث يمكن أن يكون مصدر الضوء على مسافة غير محددة وربما تصل إلى ملايين الأميال.
من الناحية النظرية ، يمكن زخرفة مركبة فضائية بهياكل ذات نقوش نانوية وتسريعها بواسطة ضوء الليزر الأرضي. وبدون أن تحتاج إلى حمل وقود يزيد من وزنها ، هكذا يمكن للمركبات الفضائية أن تصل إلى سرعات عالية للغاية ، وحتى نسبية ، وربما تنتقل إلى نجوم أخرى.
يمكن أيضًا أن تستخدم هذه التكنولوجيا على الأرض لتمكين التصنيع السريع لأجسام أصغر حجمًا، كما يمكن الاستعانة بهذه التقنية في تصميم الدوائر الإلكترونية.
مصادر
https://www.caltech.edu/about/news/levitating-objects-light
https://www.nature.com/articles/s41566-019-0373-y