Техно

Лазерный захват: от фантастики к реальности

С помощью новейших притягивающих лазеров можно управлять клетками организма и космическими кораблями

Фото: zhong5.cn

Ученые из Австралийского национального университета создали лазер, способный передвигать стеклянные сферы на расстояние 20 сантиметров - такого результата еще не удавалось добиться никому. Кроме того, в отличие от предыдущих моделей, новый лазер может двигать объекты в самых разных направлениях. Результаты эксперимента опубликованы в журнале Nature Photonics.

До того специалисты Австралийского национального университета поводили в этой сфере немало экспериментов. Среди их изобретений - притягивающий луч для использования на воде. По словам возглавившего разработку доктора Хорста Пунцмана, созданные определенным способом волны могут заставить плавающий объект двигаться против течения - притягивающий луч буквально подталкивает предмет к цели. Такая технология может быть полезна, например, в сдерживании разливов нефти или маневрировании объектами против течения воды.

В активе австралийцев также устройство, передвигающее предметы с помощью так называемого оптического вихря. Вихрь загонял стеклянные сферы в темный центр луча, вследствие чего ими становилось довольно просто управлять. Эта технология и стала основой новейшего лазера Австралийского национального университета, представленного на днях.

Фото: naked-science.ruДействует устройство следующим образом. Энергия лазера нагревает воздух, который создает горячие точки на одной стороне поверхности стеклянной сферы. Тепло отводит молекулы воздуха в сторону, в результате чего крошечная оболочка сферы тянется в том же направлении, а объект движется в противоположном. Благодаря изменению поляризации лазерного луча сфера может менять направление движения или просто останавливаться. Поскольку мощность лазерных лучей с расстоянием не падает, новое устройство способно работать на больших расстояниях. Ученые утверждают, что таким образом можно передвигать предметы на нескольких метров. Они убеждены, что постепенное увеличение мощности и расстояния позволит однажды создать установку, которая будет притягивать и отталкивать целые космические корабли. А пока новый лазер достигнет "космического уровня" ему нашли другое - земное, применение. В частности, с помощью технологии можно забирать образцы воздуха для проведения проб атмосферного загрязнения.

Притягивающие лучи, которые используют энергию для передвижения объектов или даже целых космических кораблей, часто встречаются в  фантастических романах и фильмах со времен сериала Star Trek. Но все понимали, что такие устройства противоречат законам физики: световое давление должно отталкивать любое тело, а не притягивать его. И вот неожиданно такие устройства стали реальностью - пусть пока не в таких масштабах, как в фантастике, но ведь надо с чего-то начинать. Причем такие лучи уже начинают использоваться в разных сферах: при сборке самых миниатюрных роботов, для перемещения частиц в лабораторных экспериментах и манипулирования биологическими клетками в медицинских исследованиях. Над подобными технологиями работают многие мировые лаборатории.

Фото: myshared.ruПервопроходцами в этой сфере стали в 2011 году физики из университета Фудань в Шанхае совместно с их коллегами из университета науки и технологии в Гонконге, а также учеными из Дании, США и Сингапура. Они показали, что на самом деле, используя лазерный луч, можно добиться притягивания объектов к его источнику - лазеру. Ученые отмечают, что при этом возникает эффект прямо противоположный уже известному - давлению света, которое используется в солнечных парусах.

Правда, для создания этого эффекта требуется особый лазер Бесселя, создающий одноименные пучки. Они обладают особой структурой спадов и пиков. Если смотреть на такой луч в разрезе, то он похож на концентрические окружности. А самое главное, что фотоны в таком луче движутся под углом к его направлению. И если особым образом организовать пучок Бесселя и направить его к объекту под углом, то создастся сила, которая будет направлена в противоположную сторону. Таким образом, начнется перемещение объекта в направлении источника излучения.

Год спустя профессор Дэвид Раффнер и Дэвид Грайер из Нью-Йоркского университета усовершенствовали технологию китайцев. Они тоже использовали пучки Бесселя, но взяли за основу другую схему, более простую. Грайер и Рафнер наложили два луча друг на друга, и меняя их фазы и силу. Такой метод позволяет захватывать предметы, перемещая их в любом направлении.

Фото: cyberstyle.ruФизики из Университета Данди также разработали акустический притягивающий луч, который может перемещать объекты. Этого удалось добиться с помощью ультразвуковой энергии для приложения силы позади объекта и передвижения его в направлении ультразвукового устройства. Чешские ученые из Института научного создали лазер, передвигающий плавающие в воде крошечные шарики из полистирола. В исследовании, опубликованном в журнале Nature Photonics, говорится, что изменение поляризации света, направленного на небольшие предметы, заставляет последние двигаться то в одну, то в другую сторону. Для проведения эксперимента ученые собрали довольно простую конструкцию из микроскопа, двух лазеров и компьютера, который управляет поляризацией. Развивая идею лучевого притяжения, научный коллектив шотландского университета в городе Сент-Эндрюс продемонстрировал, что двумерное управление микрочастицами можно осуществлять за счет вращения плоскости поляризации лучей.

Возможность использования притягивающих лазеров изучают и в американском космическом агентстве NASA. Удаленный захват предметов решит проблему взятия образцов с поверхности или из атмосферы небесных тел. Сегодня приходится разрабатывать сложные механизмы для посадки, взятия проб и последующего взлета, которые удорожают космические программы и увеличивают шансы неудачи экспедиции из-за возможности крушения. Если удастся изобрести притягивающий луч, образцы для анализа можно будет брать прямо с орбиты или с небольшого расстояния, например, подлетев вплотную к астероиду.