Forskare vid Caltech har utformat ett sätt att sväva och driva föremål med endast ljus, genom att skapa specifika nanoskala mönster på objektens ytor.

Även om det fortfarande är teoretiskt, arbetet är ett steg mot att utveckla en rymdfarkost som kan nå den närmaste planeten utanför vårt solsystem om 20 år, drivs och accelereras endast av ljus.

Ett papper som beskriver forskningen visas online i tidningen den 18 mars Nature Photonics . Forskningen gjordes i laboratoriet för Harry Atwater, Howard Hughes professor i tillämpad fysik och materialvetenskap i Caltechs avdelning för teknik och tillämpad vetenskap.

Årtionden sedan, utvecklingen av så kallade optiska pincetter gjorde det möjligt för forskare att flytta och manipulera små föremål, som nanopartiklar, med hjälp av strålningstrycket från en skarpt fokuserad stråle av laserljus. Detta arbete låg till grund för Nobelpriset i fysik 2018. Dock, optisk pincett kan bara manipulera mycket små föremål och bara på mycket korta avstånd.

Ognjen Ilic, postdoktor och studiens första författare, ger en analogi:"Man kan sväva en pingisboll med hjälp av en jämn luftström från en hårtork. Men det skulle inte fungera om pingisbollen var för stor, eller om det var för långt bort från hårtork, och så vidare."

Med denna nya forskning, objekt av många olika former och storlekar - från mikrometer till meter - kan manipuleras med en ljusstråle. Nyckeln är att skapa specifika nanoskala -mönster på ett föremåls yta. Detta mönster interagerar med ljus på ett sådant sätt att objektet kan rätta sig själv när det störs, skapa ett återställande vridmoment för att hålla det i ljusstrålen. Således, snarare än att kräva mycket fokuserade laserstrålar, objektens mönster är utformade för att "koda" deras egen stabilitet. Ljuskällan kan också vara miljontals mil bort.

"Vi har kommit på en metod som kan sväva makroskopiska objekt, "säger Atwater, som också är chef för Joint Center for Artificial Photosynthesis. "Det finns en djärvt intressant applikation för att använda denna teknik som ett medel för att driva en ny generation rymdfarkoster. Vi är långt ifrån att faktiskt göra det, men vi håller på att testa principerna. "

I teorin, denna rymdfarkost kan mönstras med nanoskala strukturer och accelereras av ett jordbaserat laserljus. Utan att behöva bära bränsle, rymdfarkosten kan nå mycket högt, även relativistiska hastigheter och eventuellt resa till andra stjärnor.

Atwater föreställer sig också att tekniken kan användas här på jorden för att möjliggöra snabb tillverkning av allt mindre föremål, som kretskort.

Papperet har titeln "Självstabiliserande fotonisk svävning och framdrivning av nanostrukturerade makroskopiska föremål." Finansiering lämnades av Air Force Office of Scientific Research.