一组科学家在实验室环境中进行了微型光帆如何受到激光影响而运动的首次实验评估。
通过超薄帆驱动的航天器在星际空间旅行，似乎就像是科幻故事中的情节。然而，斯蒂芬·霍金和尤里·米尔纳于2016年启动的“突破星际计划”正在调查这一概念。这个想法是利用激光推动附着在“光帆”上的小型太空探测器，使其能够以极高的速度到达我们最近的恒星系统——半人马座α星。
加州理工学院（Caltech）在实现这一雄心勃勃的目标的全球努力中处于前沿。加州理工学院工程与应用科学系主任哈利·阿特沃特（Harry Atwater）解释说：“光帆将比历史上任何其他航天器都要快，有望使我们能够直接探索目前仅通过远程观察进行的星际距离。”
阿特沃特和他的同事们在加州理工学院建立了一个平台，以分析将来可能用于构建这些光帆的超薄膜。这一测试平台具有一种测量激光施加在帆上力量的方法，这将有助于推动航天器在太空中航行。他们的实验标志着从理论设计到关键概念和可能材料的实际观察和测量的重要过渡。
阿特沃特表示：“开发适用于光帆的膜面临几个挑战。它必须承受高温，保持形状在压力下稳定，并在激光束的轴线上稳定移动。在我们能够开始构建这样的帆之前，我们需要理解材料对激光辐射压力的反应。我们的目标是发现是否可以仅通过观察膜的运动来测量膜上的力。结果证明我们可以。”
详细阐述他们发现的研究已发表在《自然光子学》期刊上。论文的主要作者是加州理工学院的应用物理博士后学者利奥尔·米哈伊利（Lior Michaeli）和应用物理研究生拉蒙·高（Ramon Gao，理科硕士’21）。
研究的目标是理解自由移动的光帆的行为。最初，研究人员创建了一个小型光帆，四个角固定在一个较大的膜上，以便进行材料和推进力的实验室测试。
利用加州理工学院卡夫利纳米科学研究所的设施，团队采用了一种叫做电子束光刻（electron beam lithography）的方法，精密设计了一个厚度仅为50纳米的氮化硅膜，创造出类似于小型蹦床的结构。这个小型蹦床是一个每边40微米的正方形，角落由氮化硅弹簧悬挂。研究人员随后使用可见波长的氩激光照射膜，旨在通过跟踪蹦床的上下运动来量化微型光帆上的辐射压力。
然而，根据共同第一作者米哈伊利的说法，当帆被绑住时，情形变得更加复杂。“在这种情况下，动力学变得相当复杂。”帆的行为类似于机械谐振器，受到光的影响时振动，与蹦床类似。一个关键障碍是，这些振动主要源于激光产生的热量，这可能掩盖辐射压力的直接影响。米哈伊利提到，团队将这一挑战转变为有益的方面。“我们不仅减轻了意外的加热效应，还利用我们对设备行为的洞察，建立了一种新的测量光的力的方法。”
这种新技术使设备能够作为功率计，测量激光束的力和功率。
高表示：“尽管该设备意味着一个微型光帆，然而我们工作中很大一部分是开发和实施一种精确的方法，以测量由远程光学力驱动的运动。”
为了实现这一目标，团队构建了一个称为共路径干涉仪的装置。通常，可以通过两束激光的干涉来检测运动：一束打在振动样品上，另一束目标固定点。然而，在共路径干涉仪中，由于两束光几乎沿相同轨迹传播，因此它们遇到相同的环境噪声源，从而允许这些信号被过滤掉。剩下的就是样品运动的非常微弱信号。
工程师将干涉仪集成到他们用来检查微型光帆的显微镜中，并将该装置放置在一个专门设计的真空室内。这使他们能够检测到光帆微小到皮米（百亿分之一米）的运动，以及其机械刚度，指示当受到激光辐射压力推挤时弹簧压缩的程度。
团队意识到在太空中的光帆并不总是会与地球上的激光源保持直接对齐，于是调整了激光束的角度以模拟这种情况，并测量激光如何推动小光帆。他们发现，施加的力低于预期，主要是因为一些倾斜的激光束接触了光帆的边缘，导致部分光散射到不同方向。
展望未来，团队旨在利用纳米科学和超材料——在微观尺度上工程化以具有特定属性的材料——来控制微型光帆的左右运动和旋转。
高指出：“我们的目标是确定是否可以设计这些纳米结构表面，以为光帆提供恢复力或扭矩。如果光帆漂移或旋转出激光束，我们希望它能自动返回其初始位置。”
研究人员指出，他们配备了测量左右运动和旋转的能力，使用论文中讨论的平台。“这是一个重要的里程碑，旨在检测使自由加速的光帆跟随激光束的光学力和扭矩，”高表示。
名为《光帆膜的直接辐射压力测量》的论文于1月30日发表。除了阿特沃特、米哈伊利和高之外，其他加州理工学院的合作者包括资深研究科学家迈克尔·D·凯尔岑堡（Michael D. Kelzenberg，博士’10）、前博士后学者克劳迪奥·U·海尔（Claudio U. Hail）和研究教授约翰·E·萨德（John E. Sader）。阿德里安·梅尔克特（Adrien Merkt）也是合著者，曾作为苏黎世联邦理工学院的研究生参与该项目。该研究由美国空军科学研究办公室和突破星际计划资助。
