La idea de viajar a través del espacio interestelar utilizando la nave espacial impulsada por las velas ultrafinas puede parecer la cosa de las novelas de ciencia ficción. Pero, de hecho, un programa iniciado en 2016 por Stephen Hawking y Yuri Milner conocido como la iniciativa innovadora de Starshot ha estado explorando la idea. El concepto es usar láseres para impulsar sondas espaciales en miniatura unidas a las «puntos de vista» para alcanzar velocidades ultrarrápidas y, finalmente, nuestro sistema estrella más cercano, Alpha Centauri.
Caltech lidera a la comunidad mundial que trabaja para lograr este objetivo audaz. «La cola de luces viajará más rápido que cualquier nave espacial anterior, con el potencial de abrir distancias interestelares para dirigir la exploración de la nave espacial a las que ahora solo se pueden acceder a la observación remota», explica Harry Atwater, el presidente de liderazgo de Otis Booth de la División de Ciencias Aplicadas y Aplicadas y Aplicadas. El Profesor de Física Aplicada de Howard Hughes de Ciencia de Física Aplicada en Caltech.
Ahora, Atwater y sus colegas de Caltech han desarrollado una plataforma para caracterizar las membranas ultrafinas que algún día podrían usarse para hacer estas vías. Su plataforma de prueba incluye una forma de medir la fuerza que los láseres ejercen en las velas y que se utilizarán para enviar la nave espacial que se precipita a través del espacio. Los experimentos del equipo marcan el primer paso para pasar de las propuestas teóricas y diseños de vías a observaciones reales y mediciones de los conceptos clave y materiales potenciales.
«Existen numerosos desafíos involucrados en el desarrollo de una membrana que finalmente podría usarse como viaille. Necesita resistir el calor, mantener su forma bajo presión y viajar de manera estable a lo largo del eje de un haz láser», dice Atwater. «Pero antes de que podamos comenzar a construir tal vela, debemos entender cómo los materiales responden a la presión de radiación de los láseres. Queríamos saber si podíamos determinar la fuerza que se ejerce sobre una membrana simplemente midiendo sus movimientos. Resulta que nosotros poder.»
Un artículo que describe el trabajo aparece en la revista Fotónica de la naturaleza. Los autores principales del documento son el erudito postdoctoral en física aplicada Michaeli y estudiante de posgrado en física aplicada Ramon Gao (MS '21), ambos de Caltech.
El objetivo es caracterizar el comportamiento de una uña de muda libremente. Pero como primer paso, para comenzar a estudiar los materiales y las fuerzas propulsoras en el laboratorio, el equipo creó una visión en miniatura que está atada en las esquinas dentro de una membrana más grande.
Los investigadores utilizaron equipos en el Kavli NanoScience Institute en Caltech y una técnica llamada litografía de haz de electrones para modelar cuidadosamente una membrana de nitruro de silicio de solo 50 nanómetros de espesor, creando algo que parece una trampolina microscópica. El mini trampolín, un cuadrado de solo 40 micras de ancho y 40 micras de largo, está suspendido en las esquinas por resortes de nitruro de silicio. Luego, el equipo golpeó la membrana con la luz láser de Argon a una longitud de onda visible. El objetivo era medir la presión de radiación que experimentó la línea de luz en miniatura midiendo los movimientos del trampolín a medida que avanzaba hacia arriba y hacia abajo.
Pero la imagen desde una perspectiva física cambia cuando la vela está atada, dice el co-líder, el autor Michaeli. «En este caso, la dinámica se vuelve bastante compleja». La vela actúa como un resonador mecánico, vibrando como un trampolín cuando está golpeado por la luz. Un desafío clave es que estas vibraciones son impulsadas principalmente por el calor del haz láser, que puede enmascarar el efecto directo de la presión de radiación. Michaeli dice que el equipo convirtió este desafío en una ventaja. «No solo evitamos los efectos de calentamiento no deseados, sino que también utilizamos lo que aprendimos sobre el comportamiento del dispositivo para crear una nueva forma de medir la fuerza de la luz».
El nuevo método permite que el dispositivo actúe adicionalmente como un medidor de potencia para medir tanto la fuerza y poder del haz láser.
«El dispositivo representa una pequeña cola de luces, pero una gran parte de nuestro trabajo fue idear y realizar un esquema para medir con precisión el movimiento inducido por las fuerzas ópticas de largo alcance», dice el autor co-autor Gao.
Para hacer eso, el equipo construyó lo que se llama interferómetro de ruta común. En general, el movimiento se puede detectar mediante la interferencia de dos haces láser, donde uno golpea la muestra vibratoria y el otro traza una ubicación rígida. Sin embargo, en un interferómetro de ruta común, debido a que las dos vigas han recorrido casi el mismo camino, se han encontrado con las mismas fuentes de ruido ambiental, como equipos que operan cerca o incluso personas que hablan, y esas señales se eliminan. Todo lo que queda es la señal muy pequeña del movimiento de la muestra.
Los ingenieros integraron el interferómetro en el microscopio que utilizaron para estudiar la vela en miniatura y alojaron el dispositivo dentro de una cámara de vacío hecha a medida. Luego pudieron medir los movimientos de la vela tan pequeños como los picómetros (billonésimas de un metro), así como su rigidez mecánica, es decir, cuánto deformaron los resortes cuando la vela fue empujada por la presión de radiación del láser.
Dado que los investigadores saben que una cola de luz en el espacio no siempre permanecería perpendicular a una fuente de láser en la Tierra, luego inclinaron el rayo láser para imitar esto y nuevamente midieron la fuerza con la que el láser empujó la mini vela. Es importante destacar que los investigadores explicaron el haz láser que se extendía en ángulo y, por lo tanto, faltaba la muestra en algunas áreas calibrando sus resultados a la potencia del láser medido por el dispositivo mismo. Sin embargo, la fuerza bajo esas circunstancias fue menor de lo esperado. En el documento, los investigadores plantean la hipótesis de que parte del haz, cuando se dirige en ángulo, golpea el borde de la vela, lo que hace que una parte de la luz se dispersa y envíe en otras direcciones.
Mirando hacia el futuro, el equipo espera usar nanociencia y metamateriales, materiales cuidadosamente diseñados a esa pequeña escala para tener propiedades deseables, para ayudar a controlar el movimiento de lado a lado y la rotación de una vinagre de miniatura.
«El objetivo sería ver si podemos usar estas superficies nanoestructuradas para, por ejemplo, impartir una fuerza de restauración o torque a una vela», dice Gao. «Si una cola de luz se moviera o girara del rayo láser, nos gustaría que se moviera o gire por su cuenta».
Los investigadores señalan que pueden medir el movimiento de lado a lado y la rotación con la plataforma descrita en el documento. «Este es un trampolín importante para observar fuerzas ópticas y pares diseñados para permitir que una viga acelerada libremente monte la viga láser», dice Gao.
El 30 de enero se publicó el documento, «Mediciones directas de presión de radiación para las membranas de la cola de viéndica. El erudito Claudio U. Hail, y el profesor de investigación John E. Sader. Adrien Merkt también es autor del artículo que participó en el proyecto como estudiante de posgrado en ETH Zürich. El trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la iniciativa innovadora de Starshot.
