La sustentación óptica es un análogo óptico de la sustentación aerodinámica , en la que un objeto refractivo curvado con superficies superior e inferior de formas diferentes experimenta una fuerza de sustentación transversal estable cuando se coloca en una corriente de luz uniforme . [1]
La capacidad de la luz para aplicar presión a los objetos se conoce como presión de radiación , que se postuló por primera vez en 1619 y se demostró en 1900. Este es el principio detrás de la vela solar , que utiliza la presión de la radiación de la luz para moverse a través del espacio . Un estudio de 2010 realizado por el físico Grover Swartzlander y colegas del Instituto de Tecnología de Rochester en Rochester, Nueva York, muestra que la luz también es capaz de crear la fuerza más compleja de " sustentación ", que es la fuerza generada por los perfiles aerodinámicos que hacen que un avión se eleve hacia arriba mientras viaja hacia adelante. Este estudio fue publicado en diciembre de 2010 en la revista Nature Photonics . Swartzlander predijo, observó y verificó experimentalmente a escala micrométrica que cuando se aplica un haz de luz láser a una varilla refractiva semicilíndrica, automáticamente se torsiona en un ángulo de ataque estable y luego exhibe un movimiento uniforme . [1]
El experimento comenzó con modelos informáticos que sugerían que cuando la luz incide sobre un objeto diminuto con forma de ala , se aplica una fuerza de sustentación estable a la partícula. Luego, los investigadores decidieron realizar experimentos físicos en el laboratorio y crearon varillas diminutas, transparentes y de tamaño micrométrico que eran planas por un lado y redondeadas por el otro, como alas de avión. Sumergieron las láminas luminosas en agua y las bombardearon con luz láser infrarroja de 130 mW desde debajo de la cámara. La presión de la radiación empuja las partículas a lo largo de la dirección de propagación, esto se llama fuerza de dispersión , pero la emoción llegó cuando las partículas fueron forzadas hacia un lado en una dirección perpendicular a la dirección de propagación de la luz. La fuerza transversal sobre las partículas es la fuerza de sustentación. Los investigadores descubrieron no solo que las varillas experimentaban una sustentación estable, sino que, dependiendo del índice de refracción, la varilla podía tener hasta dos ángulos de ataque estables a los que giraba cuando se exponía a la luz láser. Las esferas simétricas probadas no exhibieron este mismo efecto de sustentación. [2]
En la sustentación óptica, creada por una "lámina luminosa", la sustentación se crea dentro del objeto transparente a medida que la luz brilla a través de él y es refractada por sus superficies internas. En las barras de lámina luminosa, una mayor proporción de luz sale en una dirección perpendicular al haz y, por lo tanto, este lado experimenta una mayor presión de radiación y, por lo tanto, sustentación. [2]
El descubrimiento de 2010 de la sustentación óptica estable es considerado por algunos físicos como "el más sorprendente". [3] A diferencia de las pinzas ópticas , no se requiere un gradiente de intensidad para lograr una fuerza transversal. Por lo tanto, se pueden levantar muchas varillas simultáneamente en un solo haz de luz casi uniforme. Swartzlander y su equipo proponen usar la sustentación óptica para impulsar micromáquinas, transportar partículas microscópicas en un líquido o ayudar en la autoalineación y dirección de velas solares , [3] una forma de propulsión de naves espaciales para viajes espaciales interestelares. Las velas solares generalmente están diseñadas para aprovechar la luz para "empujar" una nave espacial, mientras que Swartzlander diseñó su lámina de luz para elevarse en una dirección perpendicular; aquí es donde se puede aplicar la idea de poder dirigir una futura nave espacial con velas solares. [4]
Swartzlander dijo que el siguiente paso sería probar láminas luminosas en el aire y experimentar con una variedad de materiales con diferentes propiedades refractivas y con luz incoherente. [2]