Световой парус для межзвездных путешествий подняли в лаборатории

Путешествие к звездам на парусных космических кораблях кажется фантастикой. Между тем амбициозная программа Breakthrough Starshot Initiative, начатая в 2016 году Стивеном Хокингом и Юрием Мильнером, вышла на первый практический этап.
Он состоит в создании лабораторного стенда для испытаний сверхтонких мембран с измерением их характеристик, в том числе давления лазера. Эти работы, описанные в журнале Nature Photonics, провел Калифорнийский технологический институт (Caltech) — флагманское учреждение программы.
«Существует множество проблем, связанных с разработкой мембраны, которая в конечном итоге могла бы использоваться в качестве светового паруса. Она должна выдерживать тепло, сохранять форму под давлением и стабильно двигаться вдоль оси лазерного луча. Но прежде чем мы начнем строить такой парус, нам нужно понять, как материалы реагируют на давление излучения лазеров. Мы хотели узнать, можем ли мы определить силу, действующую на мембрану, просто измеряя ее движения. Оказывается, можем», — рассказал профессор прикладной физики и материаловедения Caltech Гарри Этуотер.
Квадратик 40×40 микрон из нитрида кремния толщиной всего 50 нанометров изготовили при помощи электронно-лучевой литографии и растянули в более крупной мембране на пружинах из нитрида кремния, чтобы получился миниатюрный «батут». Его осветили мощным аргоновым лазером.
Динамика движения паруса оказалась очень сложной: она зависит не только от его положения по отношению к направлению лазерного луча — нагреваясь, мембрана начинает колебаться.
«Устройство представляет собой небольшой световой парус, но большая часть нашей работы заключалась в разработке и реализации схемы для точного измерения движения, вызванного дальнодействующими оптическими силами», — отметил аспирант в области прикладной физики Рамон Гао.
Для этого применили так называемый интерферометр с общим оптическим путем, в котором лучи проходят практически одинаковое расстояние, поэтому влияние внешнего шума (например, из-за работы оборудования или даже разговоров людей) взаимно компенсируется, и остается лишь очень слабый сигнал от движения образца. Интерферометр встроили в микроскоп, который использовали для изучения миниатюрного паруса, и разместили устройство в специально созданной вакуумной камере.
В результате удалось определить движения паруса в пределах пикометров (триллионных долей метра), а также оценить его механическую жесткость — по деформации пружин, когда лазер давил на парус.
Сила давления луча под углом оказалась ниже ожидаемой — возможно, из-за его отражения и рассеивания от краев паруса.
Следующим шагом станет использование нанонауки и метаматериалов для контроля бокового движения и вращения миниатюрного светового паруса.
«Цель — проверить, можем ли мы с помощью наноструктурированных поверхностей создать, например, восстанавливающую силу или крутящий момент для паруса. Если парус сместится или повернется вне лазерного луча, мы хотим, чтобы он самостоятельно возвращался в исходное положение», — пояснил Гао.
Результатом должен стать свободно ускоряющийся световой парус, который подавлением лазера сможет разгонять космический корабль до 20% от скорости света.