Свет против гравитации: левитация частиц у метаматериалов

Автор: Денис Аветисян

Новое исследование экспериментально подтверждает возможность стабильной левитации микрочастиц вблизи поверхностей с диэлектрической проницаемостью, близкой к нулю.

Пока крипто-инвесторы ловят иксы и ликвидации, мы тут скучно изучаем отчетность и ждем дивиденды. Если тебе близка эта скука, добро пожаловать.

Купить акции "голубых фишек"

Нормализованная осевая сила перед различными метаповерхностями, демонстрирующими эффект ENZ, проявляет схожее поведение, подтверждая наблюдаемый эффект левитации, при этом пик максимальной силы смещается в коротковолновую область по сравнению с номинальной длиной волны ENZ, а в области ENZ наблюдается резонансное семикратное увеличение отталкивающей силы, отличающееся от тренда поглощения, зафиксированного вне этой области.

Экспериментальное наблюдение отталкивающих оптических сил, возникающих при взаимодействии света с микрочастицами вблизи поверхностей метаматериалов с диэлектрической проницаемостью, близкой к нулю.

Контроль взаимодействия микро- и наночастиц с поверхностями остается сложной задачей в оптической манипуляции. В работе, посвященной ‘Observation of Light-Driven Levitation Near Epsilon-Near-Zero Surfaces’, экспериментально продемонстрировано возникновение отталкивающих оптических сил, действующих на диэлектрические частицы вблизи метаматериалов с диэлектрической проницаемостью, близкой к нулю (ENZ). Наблюдаемая стабильная левитация частиц обусловлена уникальными оптическими эффектами ENZ-поверхностей и может быть использована для бесконтактной манипуляции в микрофлюидных системах. Какие перспективы открываются для создания новых оптических устройств и сенсоров на основе ENZ-метаматериалов?

Оптические силы: вызов для исследователей

Оптические силы, возникающие вследствие переноса импульса светом, определяют манипулирование частицами в микро- и нано масштабах, однако их природа зачастую остается недостаточно изученной. Несмотря на кажущуюся простоту принципа — свет, взаимодействуя с объектом, передает ему часть своего импульса, тем самым оказывая на него давление — реальные системы демонстрируют сложное поведение. Интенсивность и направление этих сил зависят от множества факторов, включая длину волны света, свойства материала частицы, её форму и размер, а также окружающую среду. Понимание этих взаимодействий критически важно для разработки новых технологий в области микроскопии, оптомеханики и биомедицинских приложений, где требуется точное и контролируемое перемещение микроскопических объектов. Дальнейшие исследования направлены на создание более точных моделей, учитывающих все факторы, влияющие на оптические силы, что позволит значительно расширить возможности управления материей на микро- и наноуровне.

Традиционные методы изучения оптических сил, воздействующих на микро- и наночастицы, часто сталкиваются с трудностями в разделении притягивающих и отталкивающих компонентов этих сил. Это разделение критически важно для точного контроля над манипуляциями с частицами, однако существующие подходы зачастую не позволяют однозначно определить вклад каждого типа взаимодействия. В результате, моделирование и предсказание поведения частиц в оптических ловушках становится сложной задачей, ограничивая возможности создания высокоточных устройств и систем, основанных на использовании света для управления материей на микроскопическом уровне. Разработка новых методов, способных четко различать притягивающие и отталкивающие силы, является ключевым шагом на пути к созданию более эффективных и контролируемых оптических манипуляторов.

Для точного моделирования оптических сил, действующих на микро- и наночастицы, необходимо учитывать вклад сил Ван-дер-Ваальса и силы Казимира. Эти взаимодействия, возникающие из-за флуктуаций электромагнитного поля и квантовых эффектов, могут существенно изменять общую силу, действующую на частицу, особенно при малых расстояниях. Игнорирование этих сил приводит к неточностям в расчетах и, как следствие, к снижению эффективности манипулирования частицами с помощью света. Комплексный подход, учитывающий как оптический градиент и давление света, так и электростатические взаимодействия, позволяет создавать более точные модели и, следовательно, более эффективные оптические ловушки и системы манипулирования.

Зависимость суммарной силы от длины волны для частиц на различных поверхностях демонстрирует, что частицы над метаматериалом с нулевой эффективной проницаемостью (ENZ) испытывают отталкивание, особенно в диапазоне длин волн <span class="katex-eq" data-katex-display="false"> \lambda_{PB} = 500-{540} </span> нм, в то время как на серебре и стекле наблюдается притяжение. — Зависимость суммарной силы от длины волны для частиц на различных поверхностях демонстрирует, что частицы над метаматериалом с нулевой эффективной проницаемостью (ENZ) испытывают отталкивание, особенно в диапазоне длин волн $\lambda_{PB} = 500-{540}$ нм, в то время как на серебре и стекле наблюдается притяжение.

Метаматериалы с нулевой проницаемостью: инженерия отталкивания

Метаматериалы с нулевой проницаемостью ( $\epsilon \approx 0$ ), спроектированные для достижения этого состояния на определенных частотах, представляют собой принципиально новый подход к управлению оптическими силами. В отличие от традиционных оптических систем, где преобладают силы притяжения, материалы с нулевой проницаемостью позволяют создавать отталкивающие силы, что открывает возможности для левитации частиц и стабильной их удержания в пространстве. Этот эффект достигается за счет специфического взаимодействия света с электромагнитными свойствами материала, позволяющего манипулировать распределением энергии и создавать градиенты сил, направленные против направления распространения света.

Метаматериалы с нулевой проницаемостью (ENZ) демонстрируют способность создавать отталкивающие силы, противодействующие обычно преобладающим силам притяжения. Этот эффект позволяет осуществлять левитацию и стабильную удержание частиц. Экспериментально подтверждена измеримая левитация, при которой максимальная величина отталкивающей силы наблюдается в диапазоне около 500 нм. Данное явление открывает возможности для разработки новых методов оптической манипуляции и удержания микро- и наночастиц без использования традиционных сил притяжения.

Структура, состоящая из чередующихся слоев диоксида титана и серебра, служит примером ENZ-метаматериала, позволяющего регулировать частоту, при которой диэлектрическая проницаемость стремится к нулю ε. Изменение этой частоты напрямую влияет на величину отталкивающей силы, возникающей при взаимодействии света с материалом. Экспериментально установлено, что регулировка параметров структуры позволила увеличить величину наблюдаемой отталкивающей силы в 300% по сравнению с измерениями поглощения, что подтверждает возможность активного контроля оптических сил с использованием данной конструкции.

Экспериментальная установка включает в себя многослойную структуру из <span class="katex-eq" data-katex-display="false">Al_2O_3</span> и Ag с тонким слоем Ge для обеспечения смачиваемости поверхности, предназначенную для достижения околонулевой диэлектрической проницаемости <span class="katex-eq" data-katex-display="false">Re(\epsilon_s) = 0</span> при длине волны около 547 нм, и использует лазерную ловушку с разрешением в несколько нанометров для измерения осевых сил, действующих на захваченную частицу, при синхронизации с импульсным лазером для анализа данных, полученных с помощью фотодиода и квадрантного фотодиода. — Экспериментальная установка включает в себя многослойную структуру из $Al_2O_3$ и Ag с тонким слоем Ge для обеспечения смачиваемости поверхности, предназначенную для достижения околонулевой диэлектрической проницаемости $Re(\epsilon_s) = 0$ при длине волны около 547 нм, и использует лазерную ловушку с разрешением в несколько нанометров для измерения осевых сил, действующих на захваченную частицу, при синхронизации с импульсным лазером для анализа данных, полученных с помощью фотодиода и квадрантного фотодиода.

Фотоническая силовая микроскопия: инструмент прецизионного измерения силы

Фотоническая силовая микроскопия (ФСМ) представляет собой мощный метод измерения оптических сил, действующих на микро- и наночастицы. В основе метода лежит анализ флуктуаций положения частицы, вызванных как броуновским движением, так и воздействием оптических сил. Применяя анализ спектральной плотности мощности к этим флуктуациям, можно точно определить величину и направление оптических сил, что позволяет количественно оценивать взаимодействия между светом и материей в масштабах от нескольких нанометров до нескольких микрометров. Данный подход обеспечивает возможность изучения как привлекательных, так и отталкивающих сил, возникающих при взаимодействии света с различными материалами и структурами.

Точная калибровка осевой силы является критически важной для достоверных измерений с помощью фотонной силовой микроскопии (PFM), поскольку позволяет количественно оценивать как привлекательные, так и отталкивающие силы, действующие на микро- и наночастицы. Некорректная калибровка приводит к систематическим ошибкам в определении величины этих сил, что снижает точность и надежность получаемых результатов. Для обеспечения адекватной калибровки используются различные методы, включая анализ спектральной плотности мощности флуктуаций положения частицы, позволяющие определить связь между измеренным смещением и приложенной силой. Особенно важно учитывать, что величина калибровочной константы может зависеть от параметров системы, таких как вязкость среды и размер частицы, поэтому регулярная проверка и корректировка калибровки необходимы для получения корректных данных.

В фотонной силовой микроскопии (ФСМ) анализ спектральной плотности мощности (PSD) используется для извлечения информации о силах, действующих на частицы, из их броуновского движения. Метод позволяет существенно улучшить отношение сигнал/шум, что критически важно для точных измерений. В частности, при исследовании образцов с ENZ-метаматериалами (Epsilon-Near-Zero), анализ PSD позволяет детектировать скорости частиц в диапазоне 60-80 мкм/с, возникающие при проявлении сил отталкивания. Данный подход обеспечивает высокую чувствительность к слабым силам и позволяет количественно оценивать как привлекательные, так и отталкивающие взаимодействия на наноуровне.

Анализ спектральной плотности мощности осевого сигнала позволяет определить характер полной силы, действующей на частицу вблизи стеклянной (a) или ENZ (c) поверхности при поляризационном освещении с частотой 8 Гц, благодаря чему можно различить притягивающее (b) или отталкивающее (d) взаимодействие.

За пределами левитации: последствия и перспективы

Возможность генерировать отталкивающие оптические силы с использованием ENZ-метаматериалов обнаруживает поразительное сходство с эффектом Мейснера в сверхпроводниках. В сверхпроводниках магнитное поле выталкивается из материала, создавая эффект левитации, а в ENZ-метаматериалах аналогичным образом происходит выталкивание света из области, где индекс преломления близок к нулю. Это открытие открывает перспективы для создания совершенно новых методов бесконтактной манипуляции материей, где частицы можно удерживать и перемещать, используя только свет. В отличие от традиционных оптических сил, которые обычно притягивают объекты, ENZ-метаматериалы позволяют создавать стабильные потенциальные ямы, удерживающие частицы вдали от поверхности, что может привести к революционным изменениям в различных областях, от микроробототехники до биологических исследований и прецизионного позиционирования.

Исследование взаимодействия оптических сил и тепловых эффектов, в частности, явления термофореза, представляется ключевым для эффективной улавливания и удержания микрочастиц. Оптические силы, создаваемые ENZ-метаматериалами, способны удерживать частицы в пространстве, однако возникающие градиенты температуры, приводящие к термофоретическому движению, могут вызывать нежелательное смещение или даже потерю захвата. Понимание механизмов, определяющих влияние температуры на траекторию частиц, необходимо для точной настройки параметров оптического захвата и обеспечения стабильного удержания, что особенно важно при создании миниатюрных устройств, таких как системы «лаборатория на чипе», где прецизионный контроль над положением микрообъектов имеет первостепенное значение. Оптимизация этого взаимодействия позволит не только повысить эффективность улавливания, но и расширить спектр возможных применений, включая адресную доставку лекарств и разработку высокочувствительных оптических сенсоров.

Возможность точного управления оптическими силами посредством ENZ-метаматериалов открывает перспективы для создания миниатюрных приборов, известных как “лаборатория на чипе”, где манипулирование микрочастицами происходит без физического контакта. Данный подход также может быть применен в системах адресной доставки лекарств, обеспечивая точное нацеливание препаратов на пораженные ткани. Кроме того, разработка усовершенствованных оптических сенсоров, основанных на контроле оптических сил, позволит достичь высокой чувствительности и точности измерений. Интересно отметить, что экспериментально установленная зависимость осевой силы от мощности возбуждения носит полиномиальный характер второго порядка — $F \propto P^2$ — что необходимо учитывать при проектировании и оптимизации подобных систем для различных применений.

Калибровка оптических измерений силы вблизи поверхности образцов показала, что сила взаимодействия полистироловой частицы с поверхностью стекла (красный цвет) значительно выше, чем с метаматериалом ENZ (синий цвет), что было определено путем анализа спектральной плотности тепловых флуктуаций частицы и подтверждено скоростью отталкивания от поверхности ENZ, достигающей <span class="katex-eq" data-katex-display="false">96\ \mu m/s</span>. — Калибровка оптических измерений силы вблизи поверхности образцов показала, что сила взаимодействия полистироловой частицы с поверхностью стекла (красный цвет) значительно выше, чем с метаматериалом ENZ (синий цвет), что было определено путем анализа спектральной плотности тепловых флуктуаций частицы и подтверждено скоростью отталкивания от поверхности ENZ, достигающей $96\ \mu m/s$ .

Исследование взаимодействия света и материи вблизи материалов с диэлектрической проницаемостью, близкой к нулю, демонстрирует, что кажущаяся простота физических явлений часто скрывает сложные механизмы. Наблюдаемая левитация микрочастиц — не просто эффект оптической силы, но свидетельство тонкого баланса между различными поверхностными силами. Как заметил Григорий Перельман: «Математика — это язык, которым говорит Бог». В данном случае, язык математики и физики позволяет раскрыть скрытые закономерности, управляющие поведением микромира, а левитация, будучи следствием взаимодействия света и вещества, подтверждает, что даже в самых фундаментальных процессах всегда есть место для неожиданных и парадоксальных явлений. Это подтверждает, что моделирование реальности требует глубокого понимания не только самих явлений, но и тех, кто эти модели создает.

Куда же это всё ведёт?

Наблюдаемый эффект левитации у частиц вблизи метаматериалов с параметром диэлектрической проницаемости, близким к нулю, предсказуем лишь в рамках упрощённых моделей. Однако, как показывает опыт, все модели решают не физические, а экзистенциальные проблемы — как справиться с неопределённостью. Данное исследование лишь подтверждает, что свет способен оказывать силовое воздействие на материю, но не объясняет, почему мы так упорно ищем в этих силах способы «бесконтактной» манипуляции. Возможно, дело не в технологиях, а в нашей потребности контролировать окружающий мир, даже на наноуровне.

Очевидным ограничением является зависимость эффекта от свойств конкретных метаматериалов и их сложной, часто нелинейной, оптической реакции. Более глубокое понимание механизмов взаимодействия света с этими структурами требует не только точных измерений, но и переосмысления самой концепции «поверхности» — границы между тем, что мы считаем материей, и тем, что — нет. Вероятно, ключевым направлением исследований станет разработка материалов, демонстрирующих контролируемые изменения диэлектрической проницаемости под воздействием внешних факторов.

В конечном итоге, ценность подобных исследований заключается не столько в создании новых инструментов манипулирования, сколько в расширении границ нашего понимания фундаментальных взаимодействий. Ведь, в конечном счёте, попытки заставить частицы левитировать — это всего лишь метафора нашего стремления преодолеть гравитацию, как физическую, так и метафорическую.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2601.10425.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-01-18 15:38