Способность притягивать предметы с помощью каких-либо лучей до недавнего времени считалась уделом научной фантастики. Лучевой захват небольших объектов, людей и целых космических кораблей стал излюбленным приёмом режиссёров со времён сериала Star Trek. Знакомые с физикой зрители лишь улыбались в такие моменты, вспоминая работы Кеплера, Максвелла и Лебедева. Казалось бесспорным, что световое давление должно отталкивать любое тело, а не притягивать его… Но не будем столь категоричны.

Предпосылки

С восьмидесятых годов XX века известно об “оптических пинцетах”. Такие приборы позволяют манипулировать микрочастицами с помощью лазерных лучей. При определённых параметрах электрического поля световой волны частицы будут удерживаться на месте, преодолевая силу светового давления. Удержание – ещё не движение навстречу, но данный эффект был важным началом.

Первые исследования в этом направлении проводил Артур Ашкин (Artur Ashkin) – выдающийся физик, лауреат премии Харви, работавший в Lucent Technologies и Bell Laboratories. Ашкин опубликовал в 1970 году статью об изучении особенностей рассеивания света на микрочастицах. Его интересовало, как рэлеевское и Ми рассеяние влияет на движение частиц, но тогда эта пионерская работа не привлекла большого внимания. Первые практические результаты группа Ашкина в Bell Laboratories получила только спустя семнадцать лет.

Весной 1987 года учёным удалось добиться прецизионного перемещения частиц вируса табачной мозаики и бактериальных клеток E. coli в водном растворе. В эксперименте использовался аргоновый лазер мощностью 120 мВт, работающий на длине волны 5145 ангстрем.

Схема эксперимента Ашкина (изображение: Physical review letters)
Схема эксперимента Ашкина (изображение: журнал Science, 1987)

К концу того же года научный коллектив увеличил масштабы контролируемых объектов и силу воздействия. В декабрьском номере Nature появилась статья об аналогичной схеме удержания эритроцитов и одноклеточных грибов с помощью ИК-лазеров. При контролируемом перемещении достигались скорости от 100 до 500 мкм в секунду. По отношению к размерам самих клеток это довольно высокие показатели.

Оптический пинцет с ИК-лазером (изображение: Nature)
Оптический пинцет с ИК-лазером (изображение: Nature)

Современные оптические пинцеты в общем случае позволяют манипулировать диэлектрическими частицами с размерами от нескольких ангстрем до десятков микрометров. Действующая на них сила оценивается в пико- и наноньютонах.

В случае живых клеток предел ограничивается также величиной безопасного воздействия. Опыт использования оптических пинцетов в биологических исследованиях позволяет говорить о неразрушающем характере его воздействия при мощности в десятки милливатт. Попытки использовать лазеры мощностью в сотни милливатт приводили к разрушению клеточных мембран.

Оптическими пинцетами удаётся сортировать частицы в пределах кубических микрометров, захватывать отдельные клетки и выполнять с ними высокоточные манипуляции. Возможность притягивать их лучом оставалась мечтой.

От удержания к притяжению

Ситуация кардинально изменилась осенью 2011 года, когда движение объектов навстречу лазерному лучу впервые достоверно наблюдалось в условиях лаборатории.

Группа физиков из университета Фудань в Шанхае при участии своих коллег из университета науки и технологии в Гонконге опубликовала в журнале Nature Photonics результаты необычного опыта.

Цзюнь Чэнь и Чжифан Линь использовали два лазерных излучателя. Создаваемое ими поле электромагнитного излучения приближалось по характеристикам к лучу Бесселя – гипотетической модели, в которой отсутствует рассеивание.

Модель взаимодействия индуцированного дипольного момента на сфере с электрическим полем лазерного луча (University of St Andrews)
Модель взаимодействия индуцированного дипольного момента на сфере с электрическим полем лазерного луча (University of St Andrews)

Ближайшее физически возможное приближение – луч Бесселя-Гаусса повторял идею оптического пинцета, но был реализован с некоторыми отличиями.

Режимы работы двух источников и параметры аксиконической линзы были подобраны так, чтобы добиться максимального уменьшения проекции суммарного импульса фотонов вдоль направления общего луча.

Характер рассеивания светового пучка на микрочастицах изменился таким образом, что общий вектор силы двигал их уже навстречу источнику излучения, заставляя перепрыгивать между зонами максимумов.

Ознакомившись с публикацией, в том же 2011 году NASA выделила грант в размере 100 тысяч долларов на изучение технической перспективы описанного эффекта. Три сотрудника агентства – Пол Стисли (Paul Stysley), Барри Койл (Barry Coyle) и Деметриос Поулиос (Demetrios Poulios) должны были проверить результаты, предложить свою схему и область практического применения.

Учитывая специфику научных интересов NASA, выбор пал на разработку оптической ловушки для автоматических межпланетных станций и космических зондов. На основе эффекта обратного движения в лучах лазера микрочастиц определённого размера (< 10 мкм) предполагалось проводить их бесконтактный отбор и первичную сортировку.

Перспективы

Создаваемая лазерная ловушка крайне актуальна для работы в безвоздушном пространстве и на небесных телах, не имеющих выраженной атмосферы. В таких условиях анализируемые частицы нельзя или крайне затруднительно захватить с потоком газовой смеси, как это делает аспиратор пробоотборника.

Компьютерная симуляция процесса оптического транспорта показана в следующем видеоролике.

NASA планирует использовать лазерные устройства захвата микрочастиц для изучения состава различных объектов Солнечной системы. Наиболее подходящие условия имеются в пылевых хвостах комет, а также на многочисленных спутниках Юпитера и Сатурна. Возможно, аналогичные бесконтактные пробоотборники будут установлены и на следующих марсоходах. Вместе с инструментами на борту действующих роверов Curiosity и Opportunity они позволят создать на поверхности Красной планеты настоящий лабораторный комплекс.

Над проблемой создания эффективной оптической ловушки параллельно трудятся и физики Нью-Йоркского университета, об успехах которых "Компьютерра" писала ранее.

Дэвид Раффнер (David Ruffner) и Дэвид Гриер (David Grier) в конце 2012 года создали аналогичное устройство. Во время испытаний им удавалось захватить микросферы диоксида кремния из взвеси частиц в воде. В отличие от простого оптического пинцета, частицы перемещались навстречу источнику в пределах 30 микрометров.

Развивая идею, научный коллектив шотландского университета в городе Сент-Эндрюс дополнительно показал, что двумерное управление микрочастицами можно осуществлять за счёт вращения плоскости поляризации лучей.

Изменение результирующего вектора в зависимости от плоскости поляризации (изображение: Nature Photonics)
Изменение результирующего вектора в зависимости от плоскости поляризации (изображение: Nature Photonics)

Исследование позволит быстрее выполнять сортировку, но никак не увеличит масштабы воздействия.

Активно исследуемое сейчас "притягивающее" действие лучей Бесселя-Гаусса имеет квантовую природу и потому принципиально ограничено масштабами микромира.

Речь идёт исключительно о силе в несколько миллиардных долей ньютона и размерах частиц до десятков микрометров. Для быстрых манипуляций также желательно, чтобы они обладали малой электропроводностью и имели округлую форму.

Любые тела крупнее сотой доли миллиметра будут сильно нагреваться и отталкиваться световым давлением, так как для них не произойдёт изменения характера рассеивания вдоль оси луча и не возникнет условий для преобладания "тянущего" вектора над "толкающим".

Хотя физикам так и не удалось воплотить мечту фанатов "Звёздного пути", на некоторых космических аппаратах в ближайшем будущем всё-таки будут установлены миниатюрные излучатели "притягивающих лучей".