Сила света — от атомов до космических кораблей
Оптомеханика
Идея светового давления, впервые высказанная 400 лет назад, сегодня находит применение в самых разных областях. Световой пинцет позволяет управлять положением микро- и нанообъектов. Оптические ловушки сделали возможным создание искусственных решеток из атомов. "Солнечный парус" разгоняет космические корабли. Изучение оптомеханических эффектов — одна из наиболее интенсивно развивающихся областей современной физики.
П.Н. Лебедев (1866-1912 гг.). Схематическое изображение экспериментальной установки для измерения светового давления, предложенной П.Н. Лебедевым
Современные технологии позволяют изучать свойства отдельных наночастиц, молекул и даже атомов. Фундаментальные теоретические основы современных оптических технологий были заложены Максвеллом, Герцем, Гюйгенсом, Френелем, Эйнштейном и другими великими учеными более века назад. Однако наиболее стремительно оптические технологии стали развиваться в середине прошлого века после изобретения лазера, оптоволоконной системы связи и приборов с зарядовой связью (это особый класс полупроводниковых приборов). Все эти изобретения уже прочно вошли в нашу повседневную жизнь.
Фотоны — частицы света (кванты электромагнитного излучения), как и механические частицы, обладают энергией, импульсом и моментом импульса. При столкновении с материальными объектами фотон может передавать им энергию, импульс и момент импульса. Говоря простым языком, свет может оказывать давление на материальные объекты или даже заставлять их двигаться. Удивительно, но эта гипотеза была выдвинута задолго до развития теории электромагнетизма в 1619 году Иоганном Кеплером, который заметил, что хвост кометы направлен в сторону от Солнца. Теория, объясняющая механическое действие света, была развита Джеймсом Клерком Максвеллом в 1862 году. Фактически эта теория показала, что второй закон Ньютона может быть применим в случае взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, то есть что количество импульса, переданного светом материальному объекту в единицу времени, равно силе, действующей на этот объект.
Давление света
Механическое действие света, подтверждающее теорию Максвелла, было впервые обнаружено экспериментально российским ученым Петром Лебедевым в 1899 году. Лебедев представил результаты своих исследований в 1900 году в Париже (P. Lebedew, Annalen der Physik, 311, 433 (1901)).
Схематическое изображение прибора, предложенного Лебедевым для измерения светового давления, показано на рисунке. Он состоит из двух круглых пластин, одна из которых зачернена и поглощает свет, а другая, блестящая, отражает свет. Пластинки закреплены на противоположных концах легкого стержня, подвешенного на тонкой кварцевой нити. Вся конструкция помещалась в стеклянный сосуд, из которого откачивался воздух. При отражении от зеркала свет передает ему в единицу времени в два раза больше импульса, чем свет, падающий на поглощающую пластину такой же площади. Это приводит к закручиванию нити, которое и было измерено П.Н. Лебедевым. Стоит заметить, что реальная установка была несколько сложнее, так как было необходимо избежать эффектов, связанных с недостаточно высоким уровнем вакуума и неравномерным нагревом деталей установки.
Световой пинцет
Следующим весомым достижением в области механического воздействия света на вещество было изобретение оптического пинцета. В 1970 году американский ученый Артур Ашкин экспериментально показал возможность удержания микроскопических частиц в сфокусированном лазерном пучке (A. Ashkin, Physical Review Letters, 24(4), 156 (1970)).
Изображение оптического пинцета, предложенного А. Ашкиным. Схема эксперимента по удержанию шарика в потоке воздуха, предложенная Героном Александрийским
Принцип оптического удержания достаточно прост. Хорошо известно, что диэлектрическая частица, помещенная в электрическое поле амплитудой E, поляризуется, становится диполем. Возникающий дипольный момент d пропорционален амплитуде поля:
d=aE (коэффициент a — так называемая поляризуемость)
Энергию же такой частицы в поле приближенно можно считать равной
W=-dE=-a|E|2.
Согласно законам классической механики, частица стремится прийти в состояние с минимальной потенциальной энергией. В нашем случае минимальная потенциальная энергия достигается в точке с максимальной напряженностью электрического поля, то есть в фокусе лазерного луча (см. рисунок). Таким образом, фокус лазерного пучка будет устойчивым положением равновесия и будет создавать потенциальную яму. При любом отклонении от ее центра будет возникать сила, возвращающая частицу в область высокой интенсивности света, то есть в фокус пучка.
Весьма наглядным является механический аналог оптической ловушки, приписываемый греческому ученому Герону Александрийскому. Он положил легкий шарик на конец трубки, в которую нагнетался воздух. Воздушный поток удерживал шарик в воздухе, когда шарик пытался выскочить из струи, появлялась сила, возвращающая его обратно.
Электромагнитную ловушку, предложенную Ашкиным, часто называют оптическим пинцетом. Сегодня оптические пинцеты получили колоссальное развитие. Они позволяют осуществлять прецизионное управление положением и перемещать отдельные микро- и нанообъекты, что делает их важным инструментом для фундаментальных и прикладных исследований. Ключевую роль оптический пинцет играет в биологии, так как позволяет удерживать биообъекты при минимальном воздействии на них извне. Так, например, с помощью оптических пинцетов удается измерить механические свойства молекул ДНК (Neuman K.C. and A. Nagy, Nature Methods, 5, 491 (2008)), а также их силу связи с другими биологическими структурами, такими как РНК-полимераза.
Оптические ловушки
Исследование взаимодействия молекулы ДНК с молекулой РНК-полимеразы в процессе транскрипции гена с помощью двух оптических ловушек и наночастиц
Идеи Ашкина были развиты и применены его коллегой Стивеном Чу для удержания и охлаждения атомов до температур микро- и нанокельвинов. В 1997 году за цикл работ по охлаждению атомов с помощью лазерного излучения Стивен Чу, Уильям Филиппс и Клод Коэн-Таннуджи получили Нобелевскую премию по физике. Стоит отметить, что ряд результатов в области лазерного охлаждения атомов был получен советским физиком Владиленом Летоховым еще до работ Ашкина (В.С. Летохов, Письма в ЖЭТФ, 7, 348 (1968)). По мнению многих специалистов, Летохов мог оказаться в списке нобелевских лауреатов 1997 года.
Сегодня оптическое удержание в так называемых магнито-оптических ловушках является одним из важных инструментов для изучения квантовых систем, так как обеспечивает их исследование при минимальном воздействии. Так, в частности, вскоре после их изобретения была получена так называемая бозе-эйнштейновская конденсация нейтральных атомов натрия и калия. Ранее это уникальное явление квантовой физики наблюдалось лишь в твердых телах и жидкостях и было ответственно за такие явления, как сверхпроводимость и сверхтекучесть. В 2001 году за эксперименты по бозе-эйнштейновской конденсации атомов Эрик Корнелл, Вольфганг Кэттерли и Карл Виман были также удостоены Нобелевской премии по физике. Сегодня ученым удается как улавливать отдельные атомы, так и удерживать десятки и тысячи атомов, выстраивая их в периодические цепочки и двумерные и трехмерные пространственные решетки с помощью оптических ловушек (I. Bloch, J. Dalibard and S. Nascimbene, Nature Physics, 8, 267 (2012)).
Удерживающий потенциал создается за счет интерференции (взаимодействия) волн, идущих в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Атомы оказываются пойманными в такую оптическую ловушку, образуя искусственную двумерную или трехмерную решетку. Детектировать наличие атомов в ловушке можно, измеряя картину их свечения — люминесценции. Для этого захваченные атомы возбуждаются импульсным световым пучком, а затем по детектируемой картине люминесценции восстанавливается их местоположение.
"Солнечный парус"
Другим оригинальным применением механических свойств света является "солнечный парус", использующий давление света для сообщения тяги космическим аппаратам. Предложение использовать космический парус впервые в 1920-х годах высказал советский физик и изобретатель Фридрих Цендер (нередко фамилию пишут как Цандер). Однако первый космический парусник IKAROS (англ. Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun) был запущен лишь в 2010 году Японским агентством аэрокосмических исследований. Одна из основных задач спутника — испытание "солнечного паруса" для межпланетных путешествий — была успешно решена. К 2020 году планируется запуск еще одного аппарата с большей площадью паруса.
Оптический луч притяжения
Со времен опытов Лебедева считалось, что свет может только оказывать давление на предметы, то есть толкать их в направлении от источника света. Оптический луч, притягивающий предметы, хорошо знакомый многим по фильмам и книгам, до недавнего времени оставался фантастическим явлением. Но в 2010 году ученым удалось теоретически обосновать и продемонстрировать это явление (V.G. Shvedov et al, Physical Review Letters, 105, 118103 (2010); S. Sukhov and A. Dogariu, Optics Letters, 35, 3847 (2010)).
Сегодня существует множество вариантов реализации оптического луча притяжения. В одном из наиболее простых на микрочастицу падают две когерентные между собой (то есть распространяющиеся синхронно) электромагнитные волны. В такой конфигурации частица рассеивает почти все излучение только вперед. Поэтому возникает дополнительный импульс, толкающий частицу назад, по направлению к источникам излучения.
Капля масла на поверхности жидкости, преломляя падающее излучение, движется в направлении источника света (V. Kajorndejnukul et al, Nature Photonics, 7, 787 (2013)). Реализация луча притяжения за счет использования поверхностных плазмонов (M.I. Petrov et al, Laser & Photonics Reviews, 10, 116 (2016))
Этот простой пример демонстрирует, что для реализации притяжения объекта к источнику света необходимо, чтобы после рассеяния на объекте проекция импульса фотонов на ось, соединяющую источник света и сам объект, увеличивалась.
Например, если поместить каплю масла на поверхность воды, то импульс фотона в воде становится больше, и для выполнения закона сохранения импульса предмету необходимо начать двигаться по направлению к источнику света. Еще одним способом реализации "луча притяжения" является использование поверхностных волн, например, поверхностных плазмонов (разновидность колебаний газа электронов), которые уносят импульс вдоль поверхности, что вызывает обратное давление, действующее на объект.
Таким образом, современные технологии уже трудно себе представить без оптических сил. Как фундаментальная, так и прикладная их значимость стала очевидной для научного сообщества. И если в области исследования космоса их применение еще требует проверки временем, то на микро- и наноуровне им зачастую просто нет замены. Эта молодая область науки и техники не стоит на месте и активно развивается, а мы надеемся, что ее плоды будут приносить нам новые удивительные открытия.
Сегодня множество научных групп по всему миру занимаются исследованием оптомеханических эффектов. В России в этой области лидирует Международный научно-исследовательский центр нанофотоники и метаматериалов при Университете ИТМО (http://metalab.ifmo.ru). В рамках научного центра российские ученые совместно с ведущими университетами мира не только проводят передовые исследования в области нано-оптомеханики, но и готовят молодых ученых, проводят международные научные школы и конференции.