在發(fā)明第一架飛機(jī)一百多年后，科學(xué)家利用一種光學(xué)上的空氣動(dòng)力抬升作用，研究出一種類似于機(jī)翼的“光翼”，能在激光照射下上升。研究人員希望將來(lái)有一天，“光翼”能在外太空的真空環(huán)境運(yùn)行，僅在陽(yáng)光照射下就能飛行。該研究發(fā)表在12月5日的《自然—光子學(xué)》網(wǎng)站上。

光壓差產(chǎn)生抬升

“這很像萊特兄弟早期所做的事情。”論文主要作者、紐約羅徹斯特技術(shù)研究院物理學(xué)家格魯弗·斯瓦茨蘭德說(shuō)。光翼的工作原理跟機(jī)翼很像，都是要讓一邊的壓力大于另一邊，壓力差會(huì)產(chǎn)生向上或向下的力量。在機(jī)翼中，機(jī)身上面的空氣更快地流動(dòng)，沿弧形與下面的空氣匯合，由此產(chǎn)生了空氣壓力差。而在光翼中，造成壓力差的不是空氣而是光。

“輻射壓力”的概念是物理學(xué)家詹姆斯·克萊克·麥克斯韋和阿道夫·巴托利19世紀(jì)末提出的理論，即光量子通過(guò)介質(zhì)或被反射時(shí)，會(huì)將動(dòng)量傳給目標(biāo)。正是由于這個(gè)原因，彗星的尾巴總是指著背向太陽(yáng)的一邊，是太陽(yáng)光線將它們推離。

格羅弗和研究小組預(yù)測(cè)，輻射壓力也會(huì)產(chǎn)生抬升的力量。根據(jù)計(jì)算機(jī)分析演示，光線在進(jìn)入不同形狀物體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的折射或反射。當(dāng)光線進(jìn)入一種半圓形的透明物體時(shí)，大部分入射光線就會(huì)以垂直方向反射離開(kāi)，它們離開(kāi)的一邊就會(huì)受到最大的輻射壓力，物體由此而上升。

在延時(shí)顯微照片中，半圓小棒編制的“光翼”發(fā)生橫向運(yùn)動(dòng)，證明在激光照射下發(fā)生了向上位移。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員用光刻技術(shù)將半圓小棒編制成一個(gè)幾微米的“光翼”，浸在水滴中，用毫瓦的激光照射從下面照射。他們發(fā)現(xiàn)半圓形小棒會(huì)自動(dòng)扭轉(zhuǎn)成一個(gè)穩(wěn)定的受攻擊的角度，顯示出一致性的運(yùn)動(dòng)。在一束單一準(zhǔn)一致光中，可以看到許多小棒組成的“光翼”被同時(shí)抬升，而且還發(fā)生水平方向的移動(dòng)。這個(gè)側(cè)向移動(dòng)表明，可以通過(guò)控制光壓的方向來(lái)控制目標(biāo)物體的移動(dòng)。

研究人員解釋說(shuō)，這和光鑷不同，不需要光強(qiáng)梯度就能形成壓力。光鑷是一個(gè)特別的光場(chǎng)，酷似一個(gè)陷阱。以光場(chǎng)的中心劃定一個(gè)幾微米方圓的區(qū)域，造 就一個(gè)勢(shì)能較低的區(qū)域，一旦光子涉足這個(gè)禁區(qū)就會(huì)自動(dòng)迅速墜落光的中心。當(dāng)物體的動(dòng)能不足以克服勢(shì)壘時(shí)，粒子將始終停留在阱內(nèi)。整個(gè)受到光的作用從而達(dá)到 被鉗的效果，然后可以通過(guò)移動(dòng)光束來(lái)實(shí)現(xiàn)遷移物體的目的。

納米力學(xué)與光學(xué)結(jié)合

“光翼”的一個(gè)重要應(yīng)用是依靠輻射壓力來(lái)控制航空工具的方向。比如美國(guó)加利福尼亞帕薩迪娜的一個(gè)公共空間組織“行星社”計(jì)劃，在今年末發(fā)射一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的太陽(yáng)能導(dǎo)航航天器——光帆（LightSail）。格羅弗·斯瓦茨蘭德表示，借助這一發(fā)明，將來(lái)可能僅靠太陽(yáng)光線就能為“光翼”飛行器提供動(dòng)力。未來(lái)在太空探索中，就有可能僅依靠太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)飛行。此外，還可以在不易采用常規(guī)動(dòng)力的微觀環(huán)境中用“光翼”為極小的器械提供動(dòng)力。

對(duì)于最新應(yīng)用，加利福尼亞理工大學(xué)研究納米光學(xué)與機(jī)械系統(tǒng)的物理學(xué)家馬特·艾琴菲爾德認(rèn)為，如果抬升可以用于任何透明物體，該技術(shù)的研究就更有 意義。反過(guò)來(lái)考慮問(wèn)題的話，我們可以改變激光束的形狀，而不一定是物體的形狀。“光翼”的概念也能用于微觀機(jī)械力學(xué)，或液體中的粒子運(yùn)動(dòng)。他說(shuō)：“這會(huì)產(chǎn) 生很有趣的效果。把納米力學(xué)的研究領(lǐng)域和光學(xué)相結(jié)合也變得更重要。在研究中，我們會(huì)再次看到研究展現(xiàn)出的最簡(jiǎn)單現(xiàn)象。”