Yıldızlararası ışıklar geliştirmeye yönelik ilk adımlar

Ultra ince yelkenlerle tahrik edilen uzay aracını kullanarak yıldızlararası uzayda seyahat etme fikri, bilimkurgu romanlarının eşyaları gibi gelebilir. Ama aslında, 2016 yılında Stephen Hawking ve The Breakthrough Starshot Girişimi olarak bilinen Yuri Milner tarafından başlatılan bir program fikri araştırıyor. Konsept, ultrafast hızlarına ve sonunda en yakın yıldız sistemimiz Alpha Centauri’ye ulaşmak için “ışıklara” bağlı minyatür boşluk problarını itmek için lazer kullanmaktır.

Caltech, bu cesur hedefe ulaşmak için dünya çapında topluluğa liderlik ediyor.

Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Bölümü’nün OTIS Booth Liderlik Başkanı Harry Atwater Harry Atwater, “Lightsail, önceki herhangi bir uzay aracından daha hızlı seyahat edecek, sonunda yıldızlar arası mesafeleri açma potansiyeli, şimdi sadece uzaktan gözlemle erişilebilen uzay aracı araştırmalarını yönlendirecek” diye açıklıyor. Howard Hughes Caltech’te Uygulamalı Fizik ve Malzeme Bilimi Profesörü.

Şimdi, Atwater ve Caltech’teki meslektaşları, bir gün bu ışıkları yapmak için kullanılabilecek ultra ince membranları karakterize etmek için bir platform geliştirdiler. Test platformları, lazerlerin yelkenlere uyguladığı kuvveti ölçmenin bir yolunu içerir ve uzay aracını uzaydan göndermek için kullanılacak. Ekibin deneyleri, teorik önerilerden ve ışıkların tasarımlarından, temel kavramların ve potansiyel materyallerin gerçek gözlemlerine ve ölçümlerine geçmenin ilk adımını işaret ediyor.

Atwater, “Nihayetinde Lightsail olarak kullanılabilecek bir zar geliştirmede çok sayıda zorluk var. Isıya dayanması, şeklini basınç altında tutması ve bir lazer ışının ekseni boyunca stabil bir şekilde sürmesi gerekiyor.” Diyor. “Ama böyle bir yelken oluşturmaya başlamadan önce, malzemelerin lazerlerden radyasyon basıncına nasıl tepki verdiğini anlamalıyız. Bir zar üzerinde uygulanan gücün sadece hareketlerini ölçerek belirleyip belirleyemeyeceğimizi bilmek istedik. olabilmek.”

İşi tanımlayan bir makale görünmek dergide Nature Fotonics. Makalenin baş yazarları, her ikisi de Caltech olan Applied Fizik Ramon Gao’da Uygulamalı Fizik Lior Michai ve Lisansüstü Öğrencisi Doktora Sonrası Bilgindir.

Amaç, serbestçe hareket eden bir ışıkların davranışını karakterize etmektir. Ancak ilk adım olarak, laboratuvardaki malzemeleri ve itici kuvvetleri incelemeye başlamak için, ekip daha büyük bir zar içindeki köşelere bağlanmış minyatür bir ışıklar yarattı.

Araştırmacılar, Caltech’teki Kavli Nanoscience Enstitüsü’nde ekipman kullandılar ve sadece 50 nanometre kalınlığında bir silikon nitrür membranı ve mikroskobik trampolin gibi görünen bir şey yaratan bir silikon nitrür zarını desenlemek için elektron ışını litografisi adı verilen bir teknik kullandılar.

Sadece 40 mikron genişliğinde ve 40 mikron uzunluğunda bir kare olan mini trambolin, köşelerde silikon nitrür yayları ile asılıdır. Daha sonra ekip, görünür bir dalga boyunda argon lazer ışığı ile zara çarptı. Amaç, trambolinin hareketlerini yukarı ve aşağı hareket ederken ölçerek yaşadığı minyatür ışıkların radyasyon basıncını ölçmekti.

Ancak, yelken bağlandığında fizik perspektifinden gelen resim değişiyor, diyor ortak lider yazar Micarii: “Bu durumda dinamikler oldukça karmaşık hale geliyor.”

Yelken, ışıkla vurulduğunda bir trambolin gibi titreşen mekanik bir rezonatör görevi görür. Önemli bir zorluk, bu titreşimlerin esas olarak radyasyon basıncının doğrudan etkisini maskeleyebilen lazer ışınındaki ısı ile yönlendirilmesidir. Michaeli, ekibin bu zorluğu bir avantaja dönüştürdüğünü söyledi: “Sadece istenmeyen ısıtma etkilerinden kaçınmadık, aynı zamanda Light’ın gücünü ölçmek için yeni bir yol yaratmak için cihazın davranışı hakkında öğrendiklerimizi de kullandık.”

Yeni yöntem, cihazın lazer ışınının hem kuvvetini hem de gücünü ölçmek için bir güç ölçer olarak hareket etmesini sağlar.

“Cihaz küçük bir ışıklar temsil ediyor, ancak çalışmalarımızın büyük bir kısmı, uzun menzilli optik kuvvetlerin neden olduğu hareketi tam olarak ölçmek için bir plan tasarlamak ve gerçekleştirmekti.” Diyor.

Bunu yapmak için ekip, ortak yol interferometresi olarak adlandırılan şeyi inşa etti. Genel olarak, hareket iki lazer ışınının paraziti ile tespit edilebilir, burada birinin titreşimli numuneye çarptığı ve diğeri sert bir konumu izler. Bununla birlikte, yaygın bir interferometrede, iki ışın neredeyse aynı yolu hareket ettirdiğinden, yakınlarda çalışan ekipman veya hatta konuşan insanlar gibi aynı çevresel gürültü kaynaklarıyla karşılaştılar ve bu sinyaller ortadan kaldırıldı. Geriye kalan tek şey, numunenin hareketinden çok küçük sinyaldir.

Mühendisler, interferometreyi minyatür yelkenini incelemek için kullandıkları mikroskopa entegre ettiler ve cihazı özel yapım bir vakum odasına yerleştirdiler. Daha sonra yelken hareketlerini pikometreler (bir metrenin trilyonu) ve mekanik sertliği kadar küçük ölçebildiler – yani, yelken lazerin radyasyon basıncı tarafından itildiğinde yayların ne kadar deforme edildiğini.

Araştırmacılar, uzayda bir ışıkların her zaman dünyadaki bir lazer kaynağına dik kalmayacağını bildiğinden, daha sonra bunu taklit etmek için lazer ışını açtılar ve yine lazerin mini yelkenini ittiği kuvveti ölçtüler.

Önemli olarak, araştırmacılar bir açıyla yayılan lazer ışını açıkladı ve bu nedenle sonuçlarını cihazın kendisi tarafından ölçülen lazer gücüne kalibre ederek bazı alanlarda numuneyi kaçırdı. Ancak, bu koşullar altındaki güç beklenenden daha düşüktü. Makalede, araştırmacılar, bir açıya yönlendirildiğinde, ışının bir kısmının yelkenin kenarına çarptığını ve ışığın bir kısmının dağılmasına ve başka yönlere gönderilmesine neden olduğunu varsayıyorlar.

İleriye baktığımızda, ekip, minyatür bir ışıkların yan yana hareketini ve rotasyonunu kontrol etmeye yardımcı olmak için, bu küçük ölçekte dikkatli bir şekilde tasarlanan nanobilim ve metamalzemeler kullanmayı umuyor.

Gao, “O zaman amaç, bu nanoyapılı yüzeyleri – örneğin – bir ışıklandırma kuvveti veya tork için bir ışık için kullanıp kullanamayacağımızı görmek olacaktır.” Diyor. “Bir ışıklar lazer ışınından hareket edecek veya dönecek olsaydı, kendi başına hareket etmesini veya geri dönmesini istiyoruz.”

Araştırmacılar, makalede açıklanan platformla yan yana hareket ve rotasyonu ölçebileceklerini belirtiyorlar.

Gao, “Bu, serbestçe hızlanan bir ışıkların lazer ışını sürmesine izin vermek için tasarlanmış optik kuvvetleri ve torkları gözlemlemeye yönelik önemli bir basamak taşıdır.” Diyor.