Forscher erzeugen einen optischen Traktorstrahl, der makroskopische Objekte zieht

Forscher haben eine Möglichkeit entwickelt, Laserlicht zum Ziehen eines makroskopischen Objekts zu verwenden. Obwohl bereits mikroskopische optische Traktorstrahlen demonstriert wurden, ist dies eines der ersten Male, dass Laserziehen bei größeren Objekten eingesetzt wurde.

Licht enthält sowohl Energie als auch Impuls, die für verschiedene Arten der optischen Manipulation wie Levitation und Rotation verwendet werden können. Optische Pinzetten zum Beispiel sind häufig verwendete wissenschaftliche Instrumente, die Laserlicht verwenden, um winzige Objekte wie Atome oder Zellen zu halten und zu manipulieren. In den letzten zehn Jahren haben Wissenschaftler an einer neuen Art der optischen Manipulation gearbeitet: Laserlicht zu verwenden, um einen optischen Traktorstrahl zu erzeugen, der Objekte ziehen könnte.

„In früheren Studien war die leichte Zugkraft zu gering, um ein makroskopisches Objekt zu ziehen“, sagte Forschungsteammitglied Lei Wang von der QingDao University of Science and Technology in China. „Bei unserem neuen Ansatz hat die leichte Zugkraft eine viel größere Amplitude. Tatsächlich ist sie mehr als drei Größenordnungen größer als der leichte Druck, der zum Antrieb eines Sonnensegels verwendet wird, das den Impuls von Photonen nutzt, um einen kleinen Schub auszuüben Gewalt.“

Im Tagebuch Optik Express, Wang und Kollegen zeigen, dass makroskopische Graphen-SiO2-Verbundobjekte, die sie entworfen haben, für das Laserziehen in einer verdünnten Gasumgebung verwendet werden können. Diese Art von Umgebung hat einen viel niedrigeren Druck als den atmosphärischen Druck.

„Unsere Technik bietet einen berührungslosen und über große Entfernungen ziehenden Ansatz, der für verschiedene wissenschaftliche Experimente nützlich sein kann“, sagte Wang. „Die verdünnte Gasumgebung, die wir zur Demonstration der Technik verwendet haben, ähnelt der auf dem Mars. Daher könnte sie das Potenzial haben, eines Tages Fahrzeuge oder Flugzeuge auf dem Mars zu manipulieren.“

Genügend Kraft erzeugen

In der neuen Arbeit entwarfen die Forscher eine spezielle Graphen-SiO2-Verbundstruktur speziell für das Laserziehen. Bei Bestrahlung mit einem Laser erzeugt die Struktur eine umgekehrte Temperaturdifferenz, das heißt, die dem Laser abgewandte Seite wird heißer.

Wenn Objekte aus der Graphen-SiO2-Verbundstruktur mit einem Laserstrahl bestrahlt werden, erhalten Gasmoleküle auf ihrer Rückseite mehr Energie und schieben das Objekt in Richtung der Lichtquelle. In Kombination mit dem niedrigen Luftdruck einer verdünnten Gasumgebung konnten die Forscher eine Laserzugkraft erzielen, die stark genug ist, um makroskopische Objekte zu bewegen.

Unter Verwendung eines Torsions- oder Drehpendels aus ihrer Graphen-SiO2-Verbundstruktur demonstrierten die Forscher das Phänomen des Laserziehens auf eine Weise, die mit bloßem Auge sichtbar war. Anschließend verwendeten sie ein traditionelles Schwerkraftpendel, um die Laserzugkraft quantitativ zu messen. Beide Geräte waren etwa fünf Zentimeter lang.

Wiederholbares, abstimmbares Ziehen

„Wir fanden heraus, dass die Zugkraft mehr als drei Größenordnungen größer war als der leichte Druck“, sagte Wang. „Außerdem ist das Laserziehen wiederholbar und die Kraft kann durch Ändern der Laserleistung eingestellt werden.“

Die Forscher weisen darauf hin, dass diese Arbeit nur ein Proof of Concept ist und dass viele Aspekte der Technik verbessert werden müssten, bevor sie praktikabel wäre. Beispielsweise wird ein systematisches theoretisches Modell benötigt, um die Laserzugkraft für gegebene Parameter, einschließlich der Geometrie des Objekts, der Laserenergie und der umgebenden Medien, genau vorherzusagen. Die Forscher möchten auch die Laserziehstrategie verbessern, damit sie für einen breiteren Bereich von Luftdrücken funktioniert.

„Unsere Arbeit zeigt, dass eine flexible Lichtmanipulation eines makroskopischen Objekts machbar ist, wenn die Wechselwirkungen zwischen Licht, Objekt und Medium sorgfältig kontrolliert werden“, sagte Wang. „Es zeigt auch die Komplexität der Laser-Materie-Wechselwirkungen und dass viele Phänomene weit davon entfernt sind, sowohl im Makro- als auch im Mikromaßstab verstanden zu werden.“