【“光子悬浮”推进技术】有望20年内送人类去近邻星系－如是說999

2019-03-26

研究者说，在物体表面刷上一层有着复杂结构的镀层，定向光束射到镀层上的反射力让物体实现“自我平衡”，令物体在光束中处于“悬浮”状态。图为激光实验的示意图。

加州理工学院（ Caltech ）的研究者们称他们找到了一种仅使用光线让物体悬浮并产生推进力的技术，称这一新的“光子悬浮”技术可以在 20 年内送人类太空船去太阳系之外我们近邻的星系。

本周发表在《自然．光子学》（ Nature Photonics ）期刊上的研究说，他们希望这种技术可用于“控制超轻太空船的航线，以及利用激光推进送太空船探索外太空”。这意味着，这些太空船无需燃料，从地球发射出去的强大激光束获得能源并接受导航。

研究者对这种“光子悬浮和推进”系统的解释说，在物体表面刷上一层有着复杂结构的镀层，定向光束射到镀层上的反射力让物体实现“自我平衡”，令物体在光束中处于“悬浮”状态。

当然，这些理论都还是“纸上谈兵”。这份研究中实现的“突破性”进展包括，他们利用强大的激光束实现了吸引或推动微观物体——目前只能推动微观层面的物体，而且推动的距离也非常小。

这份研究的主要作者、博士后学者 Ognjen Ilic 说：“人们可以用吹风机让一个乒乓球悬浮着，但如果球太大或者离吹风机太远，那都不行。”

这份论文中，研究者们称他们的光子推进技术从理论上说可以应用到各种尺寸的物体，包括从微观世界到太空船那么大的物体。

工程和应用科学系教授 Harry Atwater 说，如果研究进展顺利，这种技术 20 年内就可以送人类去临近最近的外星系。◇

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加州理工学院研究人员设计了一种方法，通过在物体表面创建特定的纳米级图案，只用光来悬浮和推动物体。尽管这项工作仍处于理论阶段，但它是朝着研制一种航天器迈出的一步，这种航天器可以在 20 年内到达太阳系外最近的行星，其动力和加速度仅靠光。其研究发表在 3 月 18 日出版的《自然光子学》期刊上。这项研究是在加州理工学院工程与应用科学系应用物理与材料科学霍华德·休斯教授哈利·阿特沃特的实验室里进行。

几十年前，所谓的光镊发展使科学家们能够利用激光束的辐射压力来移动和操纵微小物体，比如纳米粒子。这项工作为 2018 年诺贝尔物理学奖奠定了基础。然而，光镊只能在非常短的距离内操纵非常小的物体。该研究的第一作者、博士后学者奥尼扬伊里奇 (Ognjen Ilic) 给出了一个类比：你可以用吹风机吹出的稳定气流使乒乓球悬浮起来。但如果乒乓球太大，或者离吹风机太远，诸如此类的情况都不会发生。

一种纳米图案物体的概念图，它改变自身的方向以保持在光束中。图片： Courtesy of the Atwater laboratory

有了这项新研究，许多不同形状和大小的物体（从微米到米）都可以用光束操纵。关键是在物体表面创建特定的纳米尺度图案。这种模式与光相互作用，使物体在受到扰动时能够调整自身，从而产生一个恢复扭矩，使其保持在光束中。因此，不需要高度聚焦的激光束，物体图案被设计成“编码”它们自己的稳定性，光源也可能在数百万英里之外。人工光合作用联合中心的主任阿特沃特说：我们已经提出了一种可以悬浮宏观物体的方法，这是一个大胆而有趣的应用。

图示： 2018 年诺贝尔物理学奖：“光镊”与“啁啾脉冲放大技术”将促使高精尖仪器开启全新的研究领域

将这种技术作为新一代航天器的推进手段。离真正做到这一点还有很长一段路要走，但我们正在测试这些理论。从理论上讲，这艘宇宙飞船可以用纳米级结构构成图案，并由地球上的激光加速。不需要携带燃料，航天器可以达到很高的速度，并有可能到达其他恒星。阿特沃特还设想，这项技术可以在地球上被用来快速制造越来越小的物体，比如电路板。论文题目为“纳米结构宏观物体的自稳定光子悬浮与推进”，资金由空军科学研究办公室提供。