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Haciendo levitar objetos solo con luz

Los investigadores de Caltech han diseñado una forma de hacer levitar objetos y propulsarlos utilizando solo luz, creando patrones específicos a nanoescala en las superficies de los objetos. Aunque todavía es teórico, el trabajo es un paso hacia el desarrollo de una nave espacial que podría alcanzar el planeta más cercano fuera de nuestro sistema solar en 20 años, alimentado y acelerado solo por la luz.

Hace décadas, el desarrollo de las llamadas pinzas ópticas permitió a los científicos mover y manipular objetos pequeños, como las nanopartículas, utilizando la presión radiativa de un rayo de luz láser muy enfocado. Este trabajo formó la base para el Premio Nobel de Física 2018. Sin embargo, las pinzas ópticas solo son capaces de manipular objetos muy pequeños y solo a distancias muy cortas.

Ognjen Ilic, erudito postdoctoral y primer autor del estudio publicado en Nature Photonics, da una analogía: «Uno puede levitar una pelota de ping pong utilizando un flujo constante de aire de un secador de pelo. Pero no funcionaría si la pelota de ping pong fuera demasiado grande, o si estuviera demasiado lejos del secador de pelo, y así sucesivamente «.

Con esta nueva investigación, los objetos de muchas formas y tamaños diferentes, desde micrómetros hasta metros, se podrían manipular con un haz de luz.

La clave es crear patrones específicos a nanoescala en la superficie de un objeto. Este patrón interactúa con la luz de tal manera que el objeto puede enderezarse a sí mismo cuando se lo perturba, creando un torque de restauración para mantenerlo en el haz de luz. Por lo tanto, en lugar de requerir rayos láser altamente enfocados, el diseño de los objetos está diseñado para «codificar» su propia estabilidad. La fuente de luz también puede estar a millones de millas de distancia.

«Hemos ideado un método que podría levitar objetos macroscópicos», dice Atwater, quien también es el director del Centro Conjunto de Fotosíntesis Artificiales . «Hay una aplicación audazmente interesante para usar esta técnica como un medio para propulsar a una nueva generación de naves espaciales. Estamos muy lejos de hacerlo, pero estamos en el proceso de probar los principios».

En teoría, esta nave espacial podría ser modelada con estructuras a nanoescala y acelerada por una luz láser basada en la Tierra.

Sin necesidad de llevar combustible, la nave podría alcanzar velocidades muy altas, incluso relativistas, y posiblemente viajar a otras estrellas. Atwater también prevé que la tecnología podría usarse aquí en la Tierra para permitir la fabricación rápida de objetos cada vez más pequeños, como las placas de circuitos.

Ilustración conceptual de un objeto nano-modelado que se reorienta para permanecer en un rayo de luz. Crédito: Cortesía del laboratorio de Atwater.
Ilustración conceptual de un objeto nano-modelado que se reorienta para permanecer en un rayo de luz. Crédito: Cortesía del laboratorio de Atwater.

Un artículo que describe la investigación aparece en línea en la edición del 18 de marzo de la revista Nature Photonics. La investigación se realizó en el laboratorio de Harry Atwater, por el Profesor Howard Hughes de Física Aplicada y Ciencia de los Materiales en la División de Ingeniería y Ciencia Aplicada de Caltech.

El artículo se titula Self-stabilizing photonic levitation and propulsion of nanostructured macroscopic objects. (Levitación fotónica autoestabilizadora y propulsión de objetos macroscópicos nanoestructurados). El financiamiento fue proporcionado por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.

Fuente: Caltech