Свет заколебал

ученые научились эффективно преобразовывать градентные оптические силы в механическую работу

То, что световое давление существует, впервые предположил Иоганн Кеплер в ХVII веке, наблюдая закрученные хвосты космических комет. Несмотря на огромное количество энергии, обрушивающейся на землю в виде солнечных лучей, ученые до сих пор не могли напрямую использовать её в механических системах. Теперь такая возможность появилась на стыке нанофотоники и наномеханики.

Преобразование энергии световых волн в механическую — давняя мечта многих ученых и писателей-фантастов. Еще в позапрошлом веке наличие силы светового давления было предсказано теоретически, а в семидесятых годах века прошлого, с развитием техники эксперимента, было впервые показано, как световые волны, отражаясь от поверхности, придают ей небольшой механический импульс.

Эти открытия в свое время вызвали немалый ажиотаж и в научной и в популярной прессе, наперебой обсуждавших возможность создания космических кораблей, в качестве единственного топлива использующих солнечный свет. Для этого им необходим был соответствующий солнечный парус – огромная по площади и ничтожная по массе отражающая поверхность.

Однако годы расчетов, экспериментов и моделирования показали – далеко такой солнечный корабль не улетит – уж слишком мала сила светового давления.

Сегодня надежды на прямое использование света для работы механических устройств вновь обрели под собой почву. В свежем выпуске журнала Nature группа Хуна Тана, профессора Йельского университета, опубликовала статью, в которой показала, каким образом можно осуществить преобразование так называемых градиентных оптических сил в энергию механических колебаний.

Оптический пинцет

(англ. Optical tweezers), иногда «лазерный пинцет» или «оптическая ловушка» — научный прибор, который позволяет манипулировать микроскопическими объектами с помощью лазерного света (обычно испускаемого лазерным диодом). Он позволяет прикладывать к диэлектрическим объектам силы от фемтоньютонов до наноньютонов и измерять расстояния от нескольких нанометров до микронов. В последние годы оптические пинцеты начали использовать в биофизике для изучения структуры и принципа работы белков.

Объекты, представляемые в виде маленьких диэлектрических сфер взаимодействуют с электрическим полем, созданным световой волной, за счёт индуцированного на сфере дипольного момента. В результате взаимодействия этого диполя с электрическим полем электромагнитной волны, объект перемещается вдоль градиента электрического поля. Кроме градиентной силы, на объект также действует сила, вызванная давлением (отражением) света от его поверхности. Эта сила толкает сферу по направлению пучка света. Однако, если луч света сильно сфокусирован, величина градиента интенсивности может быть больше величины давления света.

Более детальный анализ основан на двух механизмах, предложенных Ашкином, в зависимости от размера частицы. В теории рассеяния света известно, что механизм рассеяния света частицей зависит от соотношения размеров частицы и длины световой волны. Если размер рассеивающих частиц намного меньше, чем длина волны света, то имеет место рэлеевское рассеяние. Когда свет рассеивается на частицах (пыль, дым, водные капельки), которые имеют размер больше, чем длина волны, это рассеяние Ми (по имени немецкого физика Густава Ми). Рассеяние Ми отвечает за белый и серый цвет облаков.

Придерживаясь той же идеи, Ашкин предложил, что для математического анализа оптического микроманипулирования можно использовать два разных метода, а именно, подходом волновой оптики для миевских частиц (когда диаметр частицы больше длины волны света d > λ) и в приближении электрического диполя для релеевских частиц (d < λ).

Силы оптического градиента – обратная сторона корпускулярно-волновой двойственности электромагнитных волн. С одной стороны, волны видимого света проявляют свойства частиц, ударяясь и отталкиваясь от отражающих поверхностей, преграждающих путь их прямолинейному движению. Но когда размер отражающей поверхности становится меньше длины оптической волны, свойства принципиально меняются. В этом случае волна возбуждает на поверхности электрический диполь, который может взаимодействовать с электромагнитным полем. Взаимодействие это между волной и наведенным диполем тем сильнее, чем интенсивнее волна, то есть чем ярче свет.

На этом принципе основано действие так называемого оптического или лазерного пинцета, позволяющего манипулировать наноразмерными объектами. Создавая в лазерном луче градиент интенсивности излучения, нарастающий от краев луча, к его центру, можно затянуть наночастицу в этот самый центр, а затем аккуратно переметить с места на место.

Но заставить такие градиентные силы работать в каком-либо механическом устройстве до сих пор никому не удавалось.

Тан для этих целей разработал наномеханическое устройство весьма интересной геометрии, размещенное на стандартной пластине из кремния. Устройство сочетает в себе оптический волновод и механический резонатор. Волновод-резонатор помещен в более крупный оптический волновод, вытравленный в виде канавки в кремниевой пластине.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "incutNum": 2,
    "picsrc": "Оптический колебательный контур Тана. Внизу увеличенное изображение волновода-резонатора.//H. Tang, Yale University",
    "repl": "<2>:{{incut2()}}",
    "uid": "_uid_2897214_i_2"
}

Часть этого волновода подвешена в воздухе на двух опорах специальной геометрии, так же вытравленных внутри канавки. Эта подвешенная часть имеет собственную резонансную частоту колебаний в десять мегагерц. Однако одного резонатора для работы устройства мало. Дело в том, что электромагнитное излучение, распространяющееся вдоль волновода, частично выходит за его границы, теряя при этом интенсивность. Потому диэлектрическую подложку диоксида кремния, с которой это «градиентное» излучение может взаимодействовать, необходимо было разместить не дальше, чем на триста нанометров от резонатора.

Соорудив такое хитрое наноразмерное приспособление с помощью стандартных методик микроэлектронной индустрии, ученые в итоге

запустили по канавкам-волноводам световой поток полупроводникового лазера, «мигание» которого, а точнее частота изменения градиента интенсивности, совпадала с частотой резонанса волновода.

Тану оставалось только доказать, что колебания резонатора, возникающие в фотонном наномеханическом контуре – следствие и результат работы градиентных оптических сил а не, например, тепловые деформации. Разделить вклад тепловых воздействий и оптических сил удалось, подняв частоту работы механического устройства, так как распространение тепловых колебаний происходит гораздо медленнее. Например, при работе контура на гигагерцовой частоте тепловые эффекты вообще себя никак проявлять не должны.

Работа американских ученых открывает целую область знаний на стыке и без того очень перспективных областей нанофотоники и наномеханики. В будущем наномеханические устройства можно будет заставлять работать под действием электромагнитных волн самого широкого спектра, вплоть до микроволнового. При этом все преобразование энергии будет осуществляться на одном микрочипе без привлечения внешних сил, использующихся, например, в магнитомеханических устройствах.

Этими устройствами могут быть аналогичные микроосцилляторы, фотонные смешивающие устройства и узкополосные радиочастотные фильтры. Сейчас же наиболее важной задачей является возбуждение высокочастотных колебаний подобных оптомеханических устройств, которые требуют большей мощности светового излучения. Мощность устройства, продемонстрированного Таном, составляет десятки мВт. Существенно повысить её поможет уменьшение размеров волноводов и расстояния между проводником и диэлектриков. Тогда заставить контур колебаться можно будет и без модуляции интенсивности оптического излучения. Для этого подойдет обычный солнечный свет.