Creato il raggio laser traente: attira oggetti macroscopici

Non ha la potenza del raggio traente delle astronavi di Star Trek, ma può spostare oggetti di 5 centimentri in particolari condizioni di bassa pressione.

 

I ricercatori hanno sviluppato un modo per utilizzare la luce laser per “tirare” un oggetto macroscopico. Sebbene siano stati dimostrati in precedenza microscopici raggi ottici traenti, questa è una delle prime volte che il laser pulling è stato utilizzato su oggetti più grandi.

La luce contiene sia energia che quantità di moto che possono essere utilizzate per vari tipi di manipolazione ottica come la levitazione e la rotazione.

Le pinzette ottiche, ad esempio, sono strumenti scientifici comunemente usati che utilizzano la luce laser per trattenere e manipolare piccoli oggetti come atomi o cellule.

Negli ultimi dieci anni, gli scienziati hanno lavorato su un nuovo tipo di manipolazione ottica: utilizzare la luce laser per creare un raggio ottico traente in grado di tirare oggetti.

“In studi precedenti, la forza di attrazione della luce era troppo piccola per attirare un oggetto macroscopico”, ha detto il membro del team di ricerca Lei Wang dell’Università di Scienza e Tecnologia di QingDao in Cina.

“Con il nostro nuovo approccio, la forza di trazione della luce ha un’ampiezza molto maggiore. In realtà, è più di tre ordini di grandezza più grande della pressione luminosa utilizzata per guidare una vela solare, che utilizza la quantità di moto dei fotoni per esercitare una piccola forza di spinta.

Nella rivista Optics Express dell’Optica Publishing Group, Wang e colleghi dimostrano che gli oggetti in grafene-SiO₂ macroscopico che hanno progettato possono essere utilizzati per l’estrazione laser in un ambiente di gas rarefatto. Questo tipo di ambiente ha una pressione molto inferiore alla pressione atmosferica.

“La nostra tecnica fornisce un approccio senza contatto e di trazione a lunga distanza, che può essere utile per vari esperimenti scientifici”, ha detto Wang.

“L’ambiente di gas rarefatto che abbiamo usato per dimostrare la tecnica è simile a quello che si trova su Marte. Pertanto, potrebbe avere il potenziale per manipolare un giorno veicoli o aerei su Marte”.

Nel nuovo lavoro, i ricercatori hanno progettato una speciale struttura composita grafene-SiO₂  specifica per la trazione laser. Quando irradiata con un laser, la struttura crea una differenza di temperatura invertita, il che significa che il lato rivolto lontano dal laser diventa più caldo.

Quando gli oggetti realizzati col grafene-SiO₂ sono irradiati da un raggio laser, le molecole di gas sul lato posteriore ricevono più energia e spingono l’oggetto verso la sorgente luminosa.

La combinazione di questo con la bassa pressione dell’aria di un ambiente di gas rarefatto ha permesso ai ricercatori di ottenere una forza di trazione laser abbastanza forte da spostare oggetti macroscopici.

I ricercatori hanno dimostrato il fenomeno della trazione laser in un modo visibile ad occhio nudo, usando un pendolo a gravità tradizionale per misurare quantitativamente la forza di trazione del laser. Entrambi i dispositivi erano lunghi circa cinque centimetri.

“Abbiamo scoperto che la forza di trazione era più di tre ordini di grandezza maggiore della pressione della luce”, ha detto Wang. “Inoltre, la trazione laser è ripetibile e la forza può essere regolata modificando la potenza del laser”.

I ricercatori avvertono che questo lavoro è solo una prova di concetto e che molti aspetti della tecnica dovrebbero essere migliorati.

Ad esempio, è necessario un modello teorico sistematico per prevedere con precisione la forza di trazione del laser per determinati parametri, tra cui la geometria dell’oggetto, l’energia laser e il mezzo circostante.

Vorrebbero anche migliorare la strategia di estrazione laser in modo che possa funzionare per una gamma più ampia di pressioni dell’aria.

“Il nostro lavoro dimostra che la manipolazione flessibile della luce di un oggetto macroscopico è fattibile quando le interazioni tra luce, oggetto e mezzo sono attentamente controllate”, ha detto Wang. “Mostra anche la complessità delle interazioni laser-materia e che molti fenomeni sono lontani dall’essere compresi sia su macro che su micro scala”.