Крутись, колесо!: Световая мельница
Исследователи из Лаборатории Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory) создали первый «световой двигатель», скорость и направление вращения которого можно регулировать путем изменения частоты падающего на него лазерного излучения.
Подобная «мельница» наверняка найдет применение в новом поколении наноэлектромеханических систем (НЭМС) — крошечных устройствах, «питающихся» солнечным светом, и роботах, способных производить различные манипуляции с ДНК и другими биологическими молекулами in vivo.
Исследователи продемонстрировали плазмонный двигатель размерами всего 100 нм, который при освещении линейно поляризованным светом может создавать крутящий момент, достаточный для вращения кремниевого диска миллиметрового размера, который примерно в 4000 раз превосходит «двигатель» по объему. Помимо регулирования скорости и направления вращения «двигателя» путем изменения частоты излучения, существует возможность создания согласованных массивов таких устройств, которые позволят создать гораздо больший крутящий момент и ускорение вращения микродиска.
Принцип работы «мельницы» основан на том, что сила, с которой падающий свет действует на тело, может многократно возрастать в металлических наноструктурах при резонансе частот излучения и плазмонов на поверхности металла (волновых колебаний электронной плотности). Форма золотых «лопастей» была специально разработана для того, чтобы максимизировать взаимодействие со светом.
«Плоские структуры золотых "лопастей", по форме напоминающие свастику, можно рассматривать как комбинацию из четырех крошечных LC-контуров, для которых резонансные частоты определяются геометрией и диэлектрическими свойствами материала», — объясняет руководитель исследования Сян Чжан (Xiang Zhang). «Входной момент обеспечивается исключительно структурной симметрией "лопастей" и их взаимодействием со всем падающим на них светом — в том числе тем, который не несет углового момента. Фактически, мы "закодировали" момент в структуре объекта. Поскольку момент импульса света не должен быть предопределен, источником освещения могут быть простые линейно поляризованные плоские волны или гауссов пучок».
Уже давно известно, что фотоны несут как импульс, так и угловой момент, которые могут быть переданы материальному телу. Принцип работы оптических пинцетов и ловушек, например, основан на прямом переносе импульса. В 1936 году физик из Принстона Ричард Бет (Richard Beth) показал, что угловой момент (и в спиновой, и в орбитальной форме), изменяясь при рассеянии или поглощении света на поверхности объекта, может создавать механический крутящий момент на этом объекте. Но до настоящего момента попытки использовать этот эффект для создания роторного двигателя не имели успеха из-за чрезвычайно слабого взаимодействия между фотонами и веществом.
«Типичные двигатели должны иметь размеры порядка микрометров или даже миллиметров, чтобы обеспечивать сколько-нибудь значимый крутящий момент», — говорит Мин Лю (Ming Liu), ведущий автор работы, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology. «Мы показали, что в наноструктурах, подобных нашей "световой мельнице", крутящий момент значительно усиливается при наложении падающего света и плазмонных волн. Производительность таких двигателей очень велика. К тому же, существует возможность изменять направление вращения — факт, противоречащий интуитивному пониманию работы таких устройств, как, например, ветряные мельницы».
Изменение направления, по словам Лю, стало возможным благодаря двум резонансным режимам напоминающей свастику структуры: при длине волны 810 нм и 1700 нм. При освещении линейно поляризованным гауссовым пучком лазерного излучения на меньшей длине волны, плазмонный двигатель вращается против часовой стрелки с частотой 0,3 Гц. При увеличении частоты излучения до 1700 нм направление вращения изменяется на противоположное (при той же угловой скорости).
Когда несколько двигателей интегрированы на одном кремниевом микродиске, их общий крутящий момент увеличивается. Например, 4 наномотора обеспечивают ту же скорость вращения диска при вдвое меньшей мощности лазера по сравнению с одиночным двигателем. Такие двигатели идеальны для использования в НЭМС, где приоритетным является размер, а не эффективность. Относительно большой крутящий момент, создаваемый «мельницей», делает перспективным её применение в области микробиологии, в том числе контролируемой размотки и перемотки двойной спирали ДНК. Если оптимизировать структуру «мельниц» для повышения эффективности, они могут быть использованы в НЭМС для сбора солнечной энергии.
«Разработав несколько двигателей, крутящихся в одном направлении на различных резонансных частотах, мы могли бы преобразовать в крутящий момент солнечный свет с широким диапазоном длин волн», — говорит Лю.
По сообщению Berkeley Lab
