Die Idee, mit Raumfahrzeugen durch ultradünnen Segeln durch den interstellaren Raum zu reisen, klingt wie das Zeug von Science-Fiction-Romanen. Tatsächlich wurde 2016 ein Programm von Stephen Hawking und Yuri Milner, bekannt als Breakthrough Starshot -Initiative, die Idee erforscht. Das Konzept besteht darin, Laser zu verwenden, um Miniatur -Raum -Sonden voranzutreiben, die an „Leuchten“ angebracht sind, um ultraschnelle Geschwindigkeiten und schließlich unser nächstgelegenes Sternensystem Alpha Centauri zu erreichen.
Caltech führt die weltweite Gemeinschaft an, um dieses kühne Ziel zu erreichen. „Das Lichtsail wird schneller als jedes frühere Raumschiff reisen, wobei das Potenzial für die direkte Erkundung von Raumfahrzeugen letztendlich zu eröffnen ist, die jetzt nur durch entfernte Beobachtung zugänglich sind“ Der Howard Hughes -Professor für angewandte Physik und Materialwissenschaft bei Caltech.
Jetzt haben Atwater und seine Kollegen bei Caltech eine Plattform entwickelt, um die ultradünnen Membranen zu charakterisieren, die eines Tages verwendet werden könnten, um diese Leuchten zu machen. Ihre Testplattform beinhaltet eine Möglichkeit, die Kraft zu messen, die Laser auf die Segel ausüben und mit der das Raumschiff durch den Weltraum rastet. Die Experimente des Teams markieren den ersten Schritt, um sich von theoretischen Vorschlägen und Entwürfen von Lichterschichten zu tatsächlichen Beobachtungen und Messungen der Schlüsselkonzepte und potenziellen Materialien zu bewegen.
„Es gibt zahlreiche Herausforderungen bei der Entwicklung einer Membran, die letztendlich als Lichterschichtung verwendet werden könnte. Sie muss der Wärme standhalten, ihre Form unter Druck halten und stabil entlang der Achse eines Laserstrahls reiten“, sagt Atwater. „Aber bevor wir mit dem Aufbau eines solchen Segels beginnen können, müssen wir verstehen, wie die Materialien auf Strahlungsdruck von Lasern reagieren. Wir wollten wissen, ob wir die Kraft auf einer Membran nur durch Messen ihrer Bewegungen bestimmen können. Es stellt sich heraus dürfen.“
Ein Papier, das die Arbeit beschreibt, erscheint im Journal Naturphotonik. Die Hauptautoren des Papiers sind Postdoktoranden in der angewandten Physik Lior Michaeli und Doktoranden in der angewandten Physik Ramon Gao (MS ’21), beide aus Caltech.
Das Ziel ist es, das Verhalten eines frei bewegenden Leuchtensails zu charakterisieren. Als erster Schritt, um die Materialien und Antriebskräfte im Labor zu untersuchen, schuf das Team ein Miniatur -Lichterschkauf, das an den Ecken innerhalb einer größeren Membran gebunden ist.
Die Forscher verwendeten Geräte im Kavli -Nanowissenschaftsinstitut in Caltech und eine Technik, die als Elektronenstrahl -Lithographie bezeichnet wird, um eine Membran aus Siliziumnitrid nur 50 Nanometer dick zu ermutigen und etwas zu erzeugen, das wie ein mikroskopisches Trampolin aussieht. Das Mini -Trampolin, ein Quadrat nur 40 Mikrometer breit und 40 Mikrometer lang, wird an den Ecken durch Siliziumnitridfedern aufgehängt. Dann traf das Team die Membran mit Argon Laser Light bei einer sichtbaren Wellenlänge. Ziel war es, den Strahlungsdruck zu messen, den das Miniaturlichtschicht durch Messung der Bewegungen des Trampolins beim Auf- und Abmessung des Trampolins erlebte.
Aber das Bild aus der Perspektive der Physik ändert sich, wenn das Segel gebunden ist, sagt Co-Lead-Autor Michaeli. „In diesem Fall wird die Dynamik ziemlich komplex.“ Das Segel fungiert als mechanischer Resonator und vibriert wie ein Trampolin, wenn es von Licht getroffen wird. Eine zentrale Herausforderung besteht darin, dass diese Schwingungen hauptsächlich durch Wärme aus dem Laserstrahl angetrieben werden, was den direkten Effekt des Strahlungsdrucks maskieren kann. Michaeli sagt, dass das Team diese Herausforderung in einen Vorteil verwandelt hat. „Wir haben nicht nur die unerwünschten Heizungseffekte vermieden, sondern auch das, was wir über das Verhalten des Geräts gelernt haben, um eine neue Methode zur Messung der Kraft des Lichts zu schaffen.“
Mit der neuen Methode können das Gerät zusätzlich als Leistungsmesser handeln, um beide Kraft zu messen Und Kraft des Laserstrahls.
„Das Gerät repräsentiert ein kleines Lichterschkauf, aber ein großer Teil unserer Arbeit war die Entwicklung und Realisierung eines Schemas, um die durch langfristige optische Kräfte induzierte Bewegung genau zu messen“, sagt Co-Lead-Autor Gao.
Zu diesem Zweck baute das Team ein so genanntes Interferometer für Common-Path-Interferometer. Im Allgemeinen kann die Bewegung durch die Interferenz von zwei Laserstrahlen erkannt werden, bei denen einer die vibrierende Probe trifft und der andere eine starre Position verfolgt. In einem Common-Batt-Interferometer, da die beiden Strahlen fast den gleichen Weg befahren sind, haben sie dieselben Quellen für Umweltgeräusche aufgetreten, wie z. Alles, was übrig bleibt, ist das sehr kleine Signal aus der Bewegung der Probe.
Die Ingenieure haben das Interferometer in das Mikroskop integriert, mit dem sie das Miniatursegel untersuchten, und untergebracht das Gerät in einer maßgeschneiderten Vakuumkammer. Sie waren dann in der Lage, Bewegungen des Segels so klein wie Picometer (Billionsths eines Messgeräts) sowie seine mechanische Steifheit zu messen – dh wie viel die Federn verformten, als das Segel durch den Strahlungsdruck des Lasers gedrückt wurde.
Da die Forscher wissen, dass ein Lichterschkauf im Weltraum nicht immer senkrecht zu einer Laserquelle auf der Erde bleiben würde, haben sie den Laserstrahl abgewinkelt, um dies nachzuahmen und die Kraft, mit der der Laser das Mini -Segel drückte, erneut gemessen. Wichtig ist, dass die Forscher den Laserstrahl ausbreiteten, der sich in einem Winkel ausbreitete und daher die Probe in einigen Bereichen fehlte, indem sie ihre Ergebnisse auf die vom Gerät selbst gemessene Laserleistung kalibrierten. Die Kraft unter diesen Umständen war jedoch niedriger als erwartet. In dem Papier nehmen die Forscher an, dass ein Teil des Strahls, wenn sie auf einen Winkel gerichtet sind, den Rand des Segels trifft und einen Teil des Lichts verstreut und in andere Richtungen geschickt werden kann.
Mit Blick auf die Zukunft hofft das Team, Nanowissenschaften und Metamaterialien zu verwenden-Materialien, die in dieser winzigen Skala sorgfältig entwickelt wurden, um wünschenswerte Eigenschaften zu haben, um die von Seite zu Seite bewegende Bewegung und Drehung eines Miniatur-Leuchtensails zu kontrollieren.
„Das Ziel wäre dann zu sehen, ob wir diese nanostrukturierten Oberflächen verwenden können, um beispielsweise eine Wiederherstellungskraft oder ein Drehmoment eines Lichtsails zu verleihen“, sagt Gao. „Wenn sich ein Lichterschkauf bewegen oder sich aus dem Laserstrahl drehen würde, möchten wir, dass sie sich von selbst bewegen oder zurückdrehen.“
Die Forscher stellen fest, dass sie mit der im Papier beschriebenen Plattform Seite zu Seite messen können. „Dies ist ein wichtiger Sprungbrett, um optische Kräfte und Drehmomente zu beobachten, die eine frei beschleunigende Lichterschichtung mit dem Laserstrahl fahren lassen können“, sagt Gao.
Das Papier „Direktstrahlungsdruckmessungen für LightSail -Membranen“ wurde am 30. Januar veröffentlicht. Zusammen mit Atwater, Michaeli und Gao sind zusätzliche Caltech -Autoren auf der Zeitung der Seniorforschungswissenschaftler Michael D. Kelzenberg (PhD ’10), ehemaliger Postdoktorale Gelehrter Claudio U. Hail und Forschungsprofessor John E. Sader. Adrien Merkt ist auch Autor des Papiers, der als Doktorand bei Eth Zürich an dem Projekt teilgenommen hat. Die Arbeit wurde vom Air Force Office of Scientific Research und der Breakthrough Starshot -Initiative unterstützt.
