Les scientifiques conçoivent un moyen de léviter et de propulser des objets en utilisant uniquement la lumière

• Bien qu'encore théorique, la technologie peut être utilisée pour faire léviter des objets de différentes tailles et formes avec un faisceau lumineux.
• Il pourrait également être utilisé pour développer des engins spatiaux propulsés par laser pour l'exploration spatiale.

La capacité de la lumière à exercer des forces et des couples est l'une des principales caractéristiques de la manipulation optique des matériaux. Pour rendre cette manipulation stable, la source doit présenter un potentiel de piégeage suffisamment fort.

Au cours des deux dernières décennies, les scientifiques ont mis au point de nombreuses approches pour la manipulation mécanique basée sur la lumière, notamment des pincettes optiques qui utilisent la pression radiative d'un faisceau laser pour déplacer et manipuler de minuscules objets. Cette méthode a servi de base au prix Nobel de physique 2018.

De nos jours, les scientifiques se sont concentrés sur la dynamique de lévitation dans les systèmes optomécaniques pour réaliser la superposition de la mécanique quantique et le refroidissement de l'état fondamental.

Cependant, la plupart des techniques existantes ne permettent de manipuler des objets microscopiques qu'à de très courtes distances. C'est comme faire léviter une balle de ping-pong en utilisant le courant d'air d'un sèche-cheveux. Cela ne fonctionnerait pas si la balle était trop lourde ou si elle était trop éloignée du sèche-cheveux.

Récemment, des chercheurs du California Institute of Technology ont révélé une méthode qui peut être utilisée pour manipuler des objets de différentes tailles et formes avec un faisceau lumineux. L'exploit théorique repose sur des motifs nanométriques uniques gravés sur la surface de l'objet propulsé par la lumière.

Comment ça marche ?

Les motifs uniques à l'échelle nanométrique interagissent avec la lumière de manière à ce que l'objet puisse s'équilibrer dans l'air, générant un couple de restauration pour le maintenir dans le faisceau. Ces modèles sont capables de coder leur propre stabilité, éliminant ainsi le besoin de faisceaux laser hautement focalisés. En fait, la source lumineuse peut se trouver à des millions de kilomètres.

Référence :Photonique de la nature | doi:10.1038/s41566-019-0373-y | Caltech 

Cette manipulation optique autostabilisante d'objets macroscopiques pourrait être obtenue en contrôlant l'anisotropie de la diffusion de la lumière le long de la surface de l'objet.

Anisotropie optique d'ingénierie pour une manipulation auto-stabilisée | Avec l'aimable autorisation des chercheurs 

Les chercheurs ont recherché une asymétrie dans la réponse optique pour s'assurer qu'un couple de restauration peut être produit pour une structure qui est déplacée de son orientation d'équilibre. Ils ont insisté sur la création d'une réponse appropriée en tant qu'effet collectif et ont développé un groupe d'éléments nanophotoniques pouvant présenter une dynamique passive d'auto-restauration.

Applications

Bien que toujours théorique, la technologie peut être utilisée pour développer des engins spatiaux alimentés par la lumière qui pourraient visiter des planètes en dehors de notre système solaire. C'est un long chemin à parcourir, mais les chercheurs testent actuellement les principes.

Le vaisseau spatial pourrait être gravé avec des motifs spéciaux à l'échelle nanométrique et alimenté/accéléré par un faisceau laser terrestre. Ils seraient capables d'atteindre des vitesses relativistes et éventuellement de visiter des étoiles lointaines, sans transporter de carburant.

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Mais avant que cette théorie de la propulsion légère ne soit utilisée pour propulser les engins spatiaux, elle pourrait stimuler la fabrication d'objets plus petits comme les circuits imprimés.