Создан оптический аналог аэродинамического крыла - Гранит науки - 2010-12-15

Создан оптический аналог аэродинамического крыла - оптическое крыло создает подъемную силу под воздействием лазерного излучения.

Оптическое крыло, продемонстрированное спустя сто с лишним лет после того как в воздух поднялся первый аэроплан, по мнению его создателей, однажды сможет найти применение для манипуляции объектами посредством одних только солнечных лучей в космическом вакууме. Комментируя свое достижение для портала physicsworld, ведущий автор статьи в декабрьском номере Nature Photonics Гровер Шварцлендер (Grover Swartzlander) из нью-йоркского Технологического Института Рочестера (Rochester Institute of Technology) сказал: «это почти как первый шаг, сделанный братьями Райт». Принцип действия оптического крыла такой же, как у крыла аэродинамического. В обоих случаях для появления подъемной силы необходимо, чтобы с одной стороны поверхности давление было больше, чем с другой. В аэродинамике разница давлений возникает оттого, что воздушный поток, разделенный крылом, для того чтобы воссоединиться, должен по более длинной, искривленной стороне пройти быстрее, чем под нижней стороной крыла. У оптического крыла давление обеспечивает световой поток. Такое давление излучения было предсказано физиками конца XIX века Джеймсом Максвеллом (James Clerk Maxwell) и Адольфо Бартоли (Adolfo Bartoli). Оно объясняется тем, что фотоны должны придавать механический момент, импульс, объекту, когда они от него отражаются или проходят через него. По этой причине, например, хвост кометы всегда направлен от Солнца – это солнечные лучи отталкивают его от светила.

Шварцлендер с коллегами построили свою модель оптического крыла, проанализировав на компьютере характер преломления и отражения лучей в зависимости от формы объектов, на которые они направлены. Выбор пал на полуцилиндрический стержень, потому что, как показало моделирование, большая часть падающих на него лучей будет отражаться в перпендикулярном направлении. И та сторона, от которой лучи отразятся, испытает большее давление излучения, следовательно, и подъемную силу. Для проверки этой модели авторы поместили пластмассовый полуцилиндрический стерженек длиной несколько микрометров в воду. Когда они направили луч лазера на этот стержень снизу, он, под воздействием силы левитации лазерного излучения, приподнялся, но в то же время и сдвинулся в сторону, что, по мнению ученых, является свидетельством оптической подъемной силы. Одним из применений оптического крыла может быть направление движения космических кораблей на световой тяге, как, например, экспериментальный космический корабль LightSail-1 с солнечным парусом, который американское Планетарное Общество (Planetary Society) запустит в ближайшее время. Концепция оптического крыла может быть использована также для управления микромеханизмами или транспортирующими частицами в жидкостях. По мнению эксперта physicsworld Мэтта Эйхенфилда (Matt Eichenfield), «это интересный эффект, а ключевой момент заключается в том, что наномеханика в сочетании с оптикой может быть гораздо значимей, чем продемонстрированные сейчас простые феномены».