, 2021/10/6
Kutatóknak sikerült apró járműveket létrehozniuk, amelyeket semmi más nem hajt, csak fény. Egy mikroszkopikus részecskére egy optikai metafelületet helyezve, majd egy fényforrással irányítva azt, sikerült az apró járműveket különböző összetett és precíz módon mozgatni, sőt, más tárgyak szállítására is használni őket.
A fény eredendően képes mikroszkopikus tárgyakat mozgatni - ezt a tulajdonságot korábban a Nobel-díjas kutatási ötlet, az "optikai csipesz" kifejlesztéséhez használták, amely egy erősen fókuszált lézersugár segítségével hihetetlen pontossággal irányítja és manőverezi az apró részecskéket. Most a svédországi Chalmers Műszaki Egyetem és a Göteborgi Egyetem kutatócsoportja megmutatta, hogy a fókuszálatlan fényt is fel lehet használni mikroszkopikus részecskék irányított mozgatására. Kutatásuk a Nature Nanotechnology című folyóiratban jelent meg.
A kutatók 10 mikrométer széles és 1 mikrométer vastag (egy ezredmilliméteres) járműveket állítottak elő. A járművek egy apró részecskéből álltak, amelyet egy "metafelülettel" vontak be. A metafelületek gondosan megtervezett és rendezett nanorészecskék ultravékony elrendezései, amelyeket úgy terveztek, hogy érdekes és szokatlan módon irányítsák a fényt. Lenyűgöző lehetőségeket kínálnak az optikai alkalmazások, például kamerák, mikroszkópok és elektronikus kijelzők fejlett alkatrészeinek felhasználására.
Általában ezeket a metafelületeket általában helyhez kötött tárgyaknak tekintik, és használatukat a fény irányításának és befolyásolásának képességében látják. Ebben az esetben a kutatók fordítva nézték a dolgot, és azt vizsgálták, hogy a fény impulzusváltozásából eredő erők hogyan használhatók fel a metafelület irányítására.
A kutatók fogták a mikroszkopikus járműveket - amelyeket "metajárműveknek" neveztek el -, és egy vizes edény aljára helyezték őket, majd egy lazán fókuszált lézer segítségével sík fényhullámot irányítottak rájuk. Tisztán mechanikus eljárással - a fény által keltett hő nem játszik szerepet a hatásban - a járműveket ezután különböző mintázatokban lehetett mozgatni. A fény intenzitásának és polarizációjának beállításával a kutatóknak sikerült a járművek mozgását és sebességét nagy pontossággal szabályozniuk, különböző irányokba és bonyolult mintázatokban, például nyolcas alakban navigálniuk.
Newton harmadik törvénye szerint minden hatásnak van egy azonos és ellentétes reakciója. Ez azt jelenti, hogy amikor a fény a metafelületet éri, és egy új irányba eltérül, a metafelület is eltolódik a másik irányba. Képzeljük el, hogy biliárdozunk, amikor két golyó egymásnak ütközik, és különböző irányokba pattannak vissza. Ebben az esetben a fotonok és a metafelület olyanok, mint ez a két biliárdgolyó" - magyarázta Mikael Käll professzor, a Chalmers Műszaki Egyetem fizikusa, a cikk társszerzője és a kutatási projekt vezetője.
Daniel Andrén, a Chalmers Egyetem Fizika Tanszékének korábbi munkatársa, a tanulmány vezető szerzője hozzátette: "A metahajók stabilak voltak, navigációjuk pedig jól kiszámítható és irányítható volt. Fejlett automatizált visszacsatolási rendszerekkel és a fényforrás intenzitásának és polarizációjának kifinomultabb szabályozásával még összetettebb navigáció lenne lehetséges".
A kutatók azt is kikísérletezték, hogy a metajárműveket transzporterként használják, hogy kis részecskéket tologassanak a tartályban. A metahajókról bebizonyosodott, hogy képesek voltak olyan tárgyakat, mint egy mikroszkopikus méretű polisztirolgyöngy és egy élesztőrészecske, könnyedén szállítani a vízben. Még egy porszemcsét is sikerült tolniuk, amely 15-ször akkora volt, mint maga a metahajó.
Jelenleg a felfedezés gyakorlati alkalmazásai még messze lehetnek, de a kutatás alapvető jellege miatt az értéke még nem biztos, hogy nyilvánvaló. "Az optikai erők kutatásában sok érdekes hatás van, amelyeket még nem értünk teljesen. Nem az alkalmazások hajtják ezt a fajta kutatást, hanem a különböző lehetőségek feltárása. Az előttünk álló számos különböző szakaszban soha nem lehet tudni, hogy mi fog történni, de az, hogy megmutattuk, hogyan lehet a metahajókat transzporterként használni, a kezdetben legígéretesebb potenciális alkalmazás; például részecskék mozgatása sejtoldatokon keresztül