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光学揚力は空気力学的揚力の光学的な類似物であり、異なる形状の上面と下面を持つ湾曲した屈折物体が均一な光の流れの中に置かれると、安定した横方向の揚力が発生します。[1]
発見
光が物体に圧力をかける能力は放射圧として知られており、1619年に初めて提唱され、1900年に証明されました。これは、光の放射圧を使用して宇宙を移動するソーラーセイルの原理です。ニューヨーク州ロチェスターのロチェスター工科大学の物理学者グローバー・シュワルツランダーと同僚による2010年の研究では、光は「揚力」というより複雑な力も作り出すことができることが示されています。これは、飛行機が前進するときに上向きに上昇させる翼によって生成される力です。この研究は、2010年12月にネイチャーフォトニクス誌に掲載されました。 シュワルツランダーは、レーザー光線を半円筒形の屈折ロッドに当てると、ロッドは自動的に安定した迎え角に回転し、その後均一な動きを示すことを予測し、観察し、マイクロメートルスケールで実験的に検証しました。[1]
この実験は、光が翼のような形をした小さな物体に当たると、粒子に安定した揚力がかかることを示唆するコンピュータ モデルから始まりました。その後、研究者は実験室で物理的な実験を行うことに決め、飛行機の翼のように、片側が平らでもう片側が丸い、マイクロメートル サイズの小さな透明なロッドを作成しました。彼らは、このライトフォイルを水に浸し、チャンバーの下から130 mW の赤外線レーザー光を照射しました。放射圧は粒子を伝播方向に沿って押します。これは散乱力と呼ばれますが、粒子が伝播する光の方向と垂直な方向に横に押しやられたときに、興奮が起こりました。粒子に働く横方向の力が揚力です。研究者は、ロッドが安定した揚力を経験しただけでなく、屈折率に応じて、レーザー光にさらされたときにロッドが最大 2 つの安定した迎え角で回転することを発見しました。テストされた対称球は、この同じ揚力効果を示しませんでした。[2]
「ライトフォイル」によって生成される光学揚力では、光が透明な物体を通過し、その内面で屈折することで、透明な物体内に揚力が生成されます。ライトフォイルロッドでは、より多くの光がビームに垂直な方向に放出されるため、この側ではより大きな放射圧が発生し、したがって揚力も大きくなります。[2]
潜在的な用途
2010 年の安定した光学揚力の発見は、一部の物理学者から「最も驚くべき」ものと考えられています。[3]光ピンセットとは異なり、横方向の力を得るために強度勾配は必要ありません。したがって、多数のロッドを単一の準均一光線で同時に持ち上げることができます。シュワルツランダーと彼のチームは、光学揚力を使用してマイクロマシンに電力を供給したり、液体中の微小粒子を輸送したり、太陽帆の自動調整と操縦を支援したりすることを提案しています。 [3]太陽帆は、星間宇宙旅行のための宇宙船の推進力の一種です。太陽帆は一般に、光を利用して宇宙船を「押す」ように設計されていますが、シュワルツランダーはライトフォイルを垂直方向に持ち上げるように設計しました。これは、将来の太陽帆宇宙船を操縦できるようにするというアイデアが適用される可能性がある場所です。[4]
シュワルツランダー氏は、次のステップは空気中で光箔をテストし、異なる屈折特性を持つさまざまな材料と非干渉性光で実験することだと述べた。[2]
参照
参考文献
- ^ ab スワルツランダー ジュニア、グローバー A.;ティモシー・J・ピーターソン。アレクサンドラ・B・アルトゥジオ＝グリンプスとアラン・D・ライザネン（2010年12月5日）。 「安定した光学リフト」。ネイチャーフォトニクス。5 (1): 48–51。Bibcode :2011NaPho...5...48S。土井：10.1038/nphoton.2010.266。
- ^ abc Edwards, Lin (2010年12月7日). 「光学リフティングが初めて実証」. Physorg . 2010年12月9日閲覧。
- ^ ab Palmer, Jason (2010 年 12 月 8 日)。「『ライトフォイル』のアイデアは光で揚力が得られることを示している」BBC ニュース。2010年12 月 8 日閲覧。
- ^ カク・ミチオ (2010 年 12 月 7 日)。「光学リフトによりソーラーセイル宇宙船とナノデバイスの操縦が可能になるかもしれない」。ビッグシンク。2010 年12 月 8 日閲覧。
外部リンク
- ビデオ: 光学リフティングを初めて実演