Les chercheurs de Caltech ont conçu un moyen de faire léviter et propulser des objets en utilisant uniquement la lumière, en créant des motifs spécifiques à l'échelle nanométrique sur les surfaces des objets.

Bien que toujours théorique, le travail est une étape vers le développement d'un vaisseau spatial qui pourrait atteindre la planète la plus proche en dehors de notre système solaire dans 20 ans, alimenté et accéléré uniquement par la lumière.

Un article décrivant la recherche apparaît en ligne dans le numéro du 18 mars de la revue Photonique de la nature . La recherche a été effectuée dans le laboratoire de Harry Atwater, Howard Hughes Professeur de physique appliquée et de science des matériaux à la division de l'ingénierie et des sciences appliquées de Caltech.

Il y a des décennies, le développement de pinces dites optiques a permis aux scientifiques de déplacer et de manipuler de minuscules objets, comme les nanoparticules, en utilisant la pression radiative d'un faisceau de lumière laser fortement focalisé. Ces travaux ont servi de base au prix Nobel de physique 2018. Cependant, les pincettes optiques ne sont capables de manipuler que de très petits objets et uniquement à de très courtes distances.

Ognjen Ilic, chercheur postdoctoral et premier auteur de l'étude, donne une analogie :« On peut faire léviter une balle de ping-pong en utilisant un flux d'air constant provenant d'un sèche-cheveux. Mais cela ne fonctionnerait pas si la balle de ping-pong était trop grosse, ou s'il était trop éloigné du sèche-cheveux, etc."

Avec cette nouvelle recherche, des objets de différentes formes et tailles, du micromètre au mètre, pouvaient être manipulés avec un faisceau lumineux. La clé est de créer des motifs nanométriques spécifiques sur la surface d'un objet. Ce motif interagit avec la lumière de telle manière que l'objet peut se redresser lorsqu'il est perturbé, créant un couple de rappel pour le maintenir dans le faisceau lumineux. Ainsi, plutôt que d'exiger des faisceaux laser hautement focalisés, la structuration des objets est conçue pour « encoder » leur propre stabilité. La source lumineuse peut également se trouver à des millions de kilomètres.

"Nous avons mis au point une méthode qui pourrait faire léviter des objets macroscopiques, " dit Atwater, qui est également le directeur du Centre commun pour la photosynthèse artificielle. "Il existe une application audacieusement intéressante pour utiliser cette technique comme moyen de propulsion d'une nouvelle génération d'engins spatiaux. Nous sommes loin de le faire réellement, mais nous sommes en train de tester les principes."

En théorie, ce vaisseau spatial pourrait être modelé avec des structures à l'échelle nanométrique et accéléré par une lumière laser terrestre. Sans avoir besoin de transporter du carburant, le vaisseau spatial pourrait atteindre très haut, même des vitesses relativistes et peut-être voyager vers d'autres étoiles.

Atwater envisage également que la technologie pourrait être utilisée ici sur Terre pour permettre la fabrication rapide d'objets toujours plus petits, comme les circuits imprimés.

L'article s'intitule "Lévitation photonique auto-stabilisante et propulsion d'objets macroscopiques nanostructurés". Le financement a été fourni par le Bureau de la recherche scientifique de la Force aérienne.