Experimentação segura em levitação óptica de gotículas carregadas usando laboratórios remotos

O fato de que a luz transporta momento foi primeiramente sugerido por Kepler quando ele explicou por que a cauda de um cometa aponta sempre para longe do sol. O uso de um laser para mover e pegar objetos macroscópicos foi primeiramente relatado por r. Ashkin e J. M. Dziedzic em 1971 quando eles demonstraram que é possível levitar micrômetro tamanho dieléctrica objetos¹. O objeto preso foi exposto a um ascendente dirigido o feixe de laser. Parte do feixe de laser foi refletida no objeto que impôs uma pressão de radiação sobre ele que era suficiente para contrabalançar a gravidade. A maioria da luz, no entanto, foi refratada através do objeto dielétrico. A mudança da direção da luz faz com que um recuo do objeto.  O efeito líquido de recuo para uma partícula colocado em um perfil de feixe Gaussiano é que a gota se moverá para a região de maior intensidade de luz². Portanto, é criado um cargo de armadilhagem estável no centro do feixe de laser em uma posição ligeiramente acima do ponto focal onde a pressão de radiação equilibra gravidade.

Desde que o método de levitação óptica permite que objetos pequenos ser preso e controlado sem estar em contato com quaisquer objetos, diferentes fenômenos físicos podem ser estudados usando um droplet levitated. No entanto, o experimento apresenta duas limitações para ser reproduzido e aplicado em escolas ou universidades, uma vez que nem todas as instituições podem pagar o equipamento necessário e desde que existem certos riscos na operação hands-on do laser.

Laboratórios remotos (RLs) oferecem acesso remoto on-line para o equipamento de laboratório real para atividades experimentais. Síndrome das pernas inquietas apareceu pela primeira vez no final dos anos 90, com o advento da Internet, e a sua importância e uso têm crescido ao longo dos anos, como a tecnologia tem evoluído e algumas das suas principais preocupações foram resolvidos³. No entanto, o núcleo de RLs permaneceu o mesmo ao longo do tempo: o uso de um dispositivo eletrônico com conexão de Internet para acesso a um laboratório e controlar e monitorar um experimento.

Devido à sua natureza remota, síndrome das pernas inquietas pode ser usado para atividades experimentais para oferecer aos usuários sem expô-los para os riscos que podem ser associados com a realização de experiências. Essas ferramentas permitem que os alunos passam mais tempo trabalhando com equipamentos de laboratório e, portanto, desenvolvem melhores habilidades de laboratório. Outras vantagens de RLs são que eles 1) facilitam para pessoas com deficiência executar o trabalho experimental, 2) expandir o catálogo das experiências oferecidas aos alunos, através da partilha de RLs entre universidades e 3) aumentar a flexibilidade no agendamento de trabalhos de laboratório, uma vez que pode ser realizada de casa quando um laboratório de físico está fechado. Finalmente, RLs também oferecem treinamento em funcionamento sistemas controlados por computador, que hoje em dia são uma parte importante da investigação, desenvolvimento e indústria. Portanto, RLs só não podem oferecer uma solução para ambas as questões financeiras e de segurança que laboratórios tradicionais presentes, mas também oferecem oportunidades experimentais mais interessantes.

Com a instalação experimental utilizada neste trabalho, é possível medir o tamanho e cobrar de uma gotícula presa, investigar o movimento de partículas carregadas em campos elétricos e analisar como uma fonte radioativa pode ser usada para alterar a carga em uma gota⁴ .

No menu configuração experimental apresentada, um poderoso laser é dirigido para cima e focado para o centro de uma célula de vidro⁴. O laser é um 2 W 532 nm diodo-bombeado laser de estado sólido (CW), onde geralmente cerca de 1 Watt (W) é usado. A distância focal da lente captura é 3,0 cm. gotículas são geradas com um dispensador de gotículas de piezo e descem através do feixe de laser, até que eles estão presos logo acima o foco do laser. Interceptação ocorre quando a força do ascendente dirigido a pressão de radiação é igual à força gravitacional dirigida para baixo. Não há nenhum limite superior de tempo observada para a captura. O maior tempo que esteve preso uma gotícula é 9 horas, depois disso, a armadilha estava desligada. A interação entre a gota e o campo de laser produz um padrão de difração, que é usado para determinar o tamanho de gotas.

As gotas emitidas a partir do dispensador consistem em 10% de glicerol e 90% de água. A parte da água evapora rapidamente, deixando uma gotícula de glicerol tamanho de 20 a 30 µm na armadilha. O tamanho máximo de uma gota que pode ser presa é cerca de 40 µm. Não há nenhuma evaporação observada após cerca de 10 s. Neste ponto, toda a água deve ter evaporado. O tempo longo armadilhagem sem qualquer evaporação observável indica que não há absorção mínima e que a gota é, essencialmente, à temperatura ambiente. A tensão superficial das gotas torna esférico. A acusação das gotas geradas pelo distribuidor da gota depende das condições ambientais no laboratório, onde eles mais comumente tornam-se carregada negativamente. A parte superior e parte inferior da célula captura consiste de dois eletrodos colocados 25 mm de distância. Eles podem ser usados para aplicar uma vertical corrente elétrica (DC) ou campo de corrente alternada (AC) sobre a gota. O campo elétrico não é forte o suficiente para criar quaisquer arcos mesmo 1000 volts (V) é aplicada sobre os eletrodos. Se for usado um campo DC, a gota se move acima ou para baixo no feixe de laser para uma nova posição de equilíbrio estável. Se um campo de AC é aplicado em vez disso, a gota oscila em torno de sua posição de equilíbrio. A magnitude das oscilações varia de acordo com o tamanho e a carga da gota, a intensidade do campo elétrico e a rigidez da armadilha do laser. Uma imagem da gota é projectada por um detector sensível à posição (PSD), que permite aos usuários controlar a posição vertical da gota.

Este trabalho apresenta uma iniciativa bem sucedida de modernizar o ensino e a pesquisa usando tecnologias da informação e comunicação através de um inovador RL na levitação óptica de gotículas carregadas que ilustra os conceitos modernos de física. A Figura 1 mostra a arquitetura da RL. A tabela 1 mostra as possíveis lesões que lasers podem causar de acordo com sua classe; Nesta configuração, um laser de classe IV tem sido usado, qual é o mais perigoso. Pode operar com até 2.0 W de radiação laser visível, assim a segurança fornecida pela operação remota é claramente apropriada para esta experiência. A levitação óptica de gotículas carregadas de RL foi apresentado no trabalho de D. Galan et al . em 2018⁵. Neste trabalho, está demonstrado que ele pode ser usado on-line por professores que querem apresentar seus alunos modernos conceitos da física sem ter que se preocupar com os custos, a logística ou as questões de segurança. Estudantes acesso a RL através de um portal web chamado Universidade rede de laboratórios interativos (UNILabs – https://unilabs.dia.uned.es) em que eles podem encontrar toda a documentação sobre a teoria relacionada com a experiência e o uso de experimental instalação por meio de um aplicativo da web. Usando o conceito de um laboratório remoto, trabalhos experimentais em física moderna que requer equipamentos caros e perigosos podem ser disponibilizados para novos grupos de alunos. Além disso, melhora a aprendizagem formal, fornecendo estudantes tradicionais, com mais tempo de laboratório e experiências que são normalmente inacessíveis fora de laboratórios de pesquisa.