Сделаны первые шаги по созданию межзвездных световых парусов

От межзвездных световых парусов до лабораторных световых парусных платформ. Автор: Nature Photonics (2025). DOI: 10.1038/s41566-024-01605-w

Идея путешествия по межзвездному пространству с использованием космических аппаратов, приводимых в движение сверхтонкими парусами, может показаться чем-то из области научно-фантастических романов. Но на самом деле, программа, начатая в 2016 году Стивеном Хокингом и Юрием Мильнером, известная как Breakthrough Starshot Initiative, изучает эту идею. Концепция заключается в использовании лазеров для приведения в движение миниатюрных космических зондов, прикрепленных к «световым парусам», чтобы достичь сверхвысоких скоростей и в конечном итоге достичь нашей ближайшей звездной системы Альфа Центавра.

Калтех возглавляет мировое сообщество, работающее над достижением этой амбициозной цели.

Теперь Этуотер и его коллеги из Калтеха разработали платформу для характеристики сверхтонких мембран, которые однажды могут быть использованы для создания этих световых парусов. Их испытательная платформа включает способ измерения силы, которую лазеры оказывают на паруса, и которая будет использоваться для запуска космического корабля в космос. Эксперименты команды знаменуют собой первый шаг в переходе от теоретических предложений и конструкций световых парусов к фактическим наблюдениям и измерениям ключевых концепций и потенциальных материалов.

«Существует множество проблем, связанных с разработкой мембраны, которая в конечном итоге могла бы использоваться в качестве светового паруса. Она должна выдерживать тепло, сохранять форму под давлением и стабильно двигаться вдоль оси лазерного луча», — говорит Этуотер. «Но прежде чем мы начнем строить такой парус, нам нужно понять, как материалы реагируют на давление излучения лазеров. Мы хотели узнать, можем ли мы определить силу, действующую на мембрану, просто измеряя ее движения. Оказывается, можем».

Статья, описывающая работу , опубликована в журнале Nature Photonics. Ведущие авторы статьи — постдокторант в области прикладной физики Лиор Михаэли и аспирант в области прикладной физики Рамон Гао, оба из Калтеха.

Цель состоит в том, чтобы охарактеризовать поведение свободно движущегося светового паруса. Но в качестве первого шага, чтобы начать изучать материалы и движущие силы в лаборатории, команда создала миниатюрный световой парус, который привязан по углам внутри более крупной мембраны.

Исследователи использовали оборудование Института нанонауки Кавли при Калифорнийском технологическом институте и технологию, называемую электронно-лучевой литографией, чтобы тщательно смоделировать мембрану из нитрида кремния толщиной всего 50 нанометров, создав нечто, похожее на микроскопический батут.

Мини-батут, квадрат шириной всего 40 микрон и длиной 40 микрон, подвешен по углам на пружинах из нитрида кремния. Затем команда ударила по мембране светом аргонового лазера на видимой длине волны. Целью было измерить давление излучения, которое испытывал миниатюрный световой парус, измеряя движения батута при его движении вверх и вниз.

Однако картина с точки зрения физики меняется, когда парус привязывается, говорит один из ведущих авторов Михаэли: «В этом случае динамика становится довольно сложной».

Мультифизическая платформа для характеристики давления излучения в оптомеханике. Автор: Nature Photonics (2025). DOI: 10.1038/s41566-024-01605-w

Парус действует как механический резонатор, вибрируя как батут при попадании света. Ключевая проблема заключается в том, что эти вибрации в основном вызываются теплом от лазерного луча, которое может маскировать прямое воздействие давления излучения. Михаэли говорит, что команда превратила эту проблему в преимущество, отмечая: «Мы не только избежали нежелательных эффектов нагрева, но и использовали то, что узнали о поведении устройства, чтобы создать новый способ измерения силы света».

Новый метод позволяет устройству дополнительно выполнять функцию измерителя мощности для измерения как силы, так и мощности лазерного луча.

«Устройство представляет собой небольшой световой парус, но большая часть нашей работы заключалась в разработке и реализации схемы для точного измерения движения, вызванного дальнодействующими оптическими силами», — говорит соавтор Гао.

Для этого команда построила так называемый интерферометр с общим путем. В общем случае движение можно обнаружить с помощью интерференции двух лазерных лучей, один из которых попадает на вибрирующий образец, а другой отслеживает жесткое местоположение. Однако в интерферометре с общим путем, поскольку два луча прошли почти по одному и тому же пути, они столкнулись с одними и теми же источниками окружающего шума, такими как работающее поблизости оборудование или даже говорящие люди, и эти сигналы устраняются. Все, что остается, — это очень слабый сигнал от движения образца.

Инженеры интегрировали интерферометр в микроскоп, который они использовали для изучения миниатюрного паруса, и поместили устройство в специально изготовленную вакуумную камеру. Затем они смогли измерить движения паруса размером до пикометров (триллионных долей метра), а также его механическую жесткость — то есть, насколько сильно деформировались пружины, когда парус толкался давлением излучения лазера.

Поскольку исследователи знают, что световой парус в космосе не всегда остается перпендикулярным к источнику лазерного луча на Земле, они затем наклонили лазерный луч, чтобы имитировать это, и снова измерили силу, с которой лазер толкал мини-парус.

Важно отметить, что исследователи учли, что лазерный луч распространяется под углом и, следовательно, пропускает образец в некоторых областях, калибруя свои результаты по мощности лазера, измеренной самим устройством. Тем не менее, сила при этих обстоятельствах была ниже ожидаемой. В статье исследователи выдвигают гипотезу, что часть луча, направленного под углом, попадает на край паруса, в результате чего часть света рассеивается и отправляется в других направлениях.

Заглядывая вперед, команда надеется использовать нанонауку и метаматериалы — материалы, тщательно разработанные в таком крошечном масштабе, чтобы обладать желаемыми свойствами, — чтобы помочь контролировать поперечное движение и вращение миниатюрного светового паруса.

«Цель тогда будет заключаться в том, чтобы посмотреть, сможем ли мы использовать эти наноструктурированные поверхности, например, для придания возвращающей силы или крутящего момента световому парусу», — говорит Гао. «Если бы световой парус двигался или вращался из лазерного луча, мы бы хотели, чтобы он двигался или вращался обратно самостоятельно».

Исследователи отмечают, что с помощью платформы, описанной в статье, они могут измерять поперечное движение и вращение.

«Это важный этап на пути к наблюдению оптических сил и моментов, позволяющих свободно ускоряющемуся световому парусу перемещаться по лазерному лучу», — говорит Гао.

Больше информации: Lior Michaeli et al, Direct radiation pressure measurements for lightsail membranes, Nature Photonics (2025). DOI: 10.1038/s41566-024-01605-w

Источник: California Institute of Technology