Метаповерхности позволили управлять световыми парусами без использования двигателей

Технология метафотонных сил позволяет световому парусу не только левитировать, но и менять направление без использования двигателей, что делает её перспективной для межзвёздных миссий. Концепция светового паруса, основанная на ускорении аппарата за счёт давления света, давно рассматривается как один из немногих реалистичных способов межзвёздных путешествий. Однако традиционные методы имеют существенное ограничение: свет в основном толкает вперёд, а для изменения курса требуются либо сложные механические системы, либо внешняя перенастройка лазера.

Инженеры-нанотехнологи, специалисты по фотонике и аэрокосмические инженеры из Техасского университета и Северо-Восточного университета предложили новый подход, в котором управление движением интегрировано непосредственно в поверхность паруса. Руководителем проекта выступил Шоуфэн Лань, инженер, работающий на стыке механики, аэрокосмических систем и материаловедения. В проекте также принял участие профессор аэрокосмической инженерии Цзы Цзин Вонг, ранее участвовавший в исследованиях для инициативы Breakthrough Starshot. Экспериментальная часть проекта, включая создание структур и оптические измерения, была выполнена инженерами-исследователями, такими как Каушик Кудтаркар. Проект поддержан Национальным научным фондом США и Сандийскими национальными лабораториями, что подчеркивает его практическую значимость.

Ключевым достижением стало демонстрация метафотонных сил. Это не просто световое давление, а управляемая тяга, возникающая вследствие изменения импульса фотонов при их прохождении через специально структурированную поверхность. Если обычный парус отражает свет и получает толчок вперёд, то в данном случае свет отклоняется под заданным углом, создавая силу в двух направлениях: вдоль поверхности и перпендикулярно ей. Это позволяет парусу менять траекторию без подвижных элементов, управление осуществляется не внешними системами, а геометрией самой поверхности.

Физическая реализация достигается через фазовый градиент, где поверхность формируется так, чтобы свет выходил с контролируемым сдвигом фазы, формируя «пилообразный» профиль. В результате направление преломления задаётся заранее, а изменение импульса фотонов создаёт компенсирующую силу — метафотонную тягу. Практически «команда движения» записывается в массивы наностолбиков, высотой около 500 нм, объединённых в суперячейки по 3–8 элементов. Изменяя радиус каждого столбика, инженеры управляют фазовой задержкой света. Повторяющийся узор создаёт фазовый градиент, определяющий угол отклонения света и, соответственно, вектор тяги.

Эксперимент проводился с использованием кремниевой метаповерхности на подложке из диоксида кремния толщиной около 100 нм и шагом структуры порядка 450 нм. Вторым важным фактором стало смещение в ближний инфракрасный диапазон (длина волны около 1000 нм), где кремний поглощает менее 10% энергии, что решает проблему перегрева. В более коротковолновых экспериментах (например, при 725 нм) наблюдалось интенсивное поглощение и даже образование микропузырьков. Кинематические измерения показали, что движение остаётся детерминированным: объект ускоряется с постоянным ускорением, при этом вертикальная составляющая примерно в 3,5 раза превышает горизонтальную. Для конфигурации с тремя элементами в суперячейке достигался угол преломления порядка 40° и максимальная горизонтальная скорость около 7 мкм/с.

Отдельно подчёркивается устойчивость: благодаря симметрии структуры и линейной поляризации света отсутствует вращательный момент. Сила прикладывается через центр масс, что исключает хаотичное вращение — одну из ключевых проблем оптических манипуляций. Авторы отмечают, что эффект масштабируем. Он определяется мощностью падающего света и свойствами метаповерхности, а не размером объекта. Это означает, что тот же принцип может работать как для микроскопических систем в жидкой среде, так и для крупных световых парусов, предназначенных для космических миссий. Для перехода к реальным применениям потребуется решить ряд инженерных задач: провести испытания в вакууме, оценить устойчивость к радиации, оптимизировать теплоотвод и разработать технологии производства больших метаповерхностей. Однако сама демонстрация метафотонных сил и управляемого движения без перегрева показывает, что световые паруса могут стать полноценной системой маневрирования в космосе.

Источник