Uued metamaterjalid: valgus kontrolli all

Paljud aruanded "metamaterjalide" kohta (jutumärkides, sest definitsioon hakkab hägustuma) panevad meid arvama, et need on peaaegu imerohi kõigi probleemide, valude ja piirangute jaoks, millega tänapäeva tehnoloogiamaailm silmitsi seisab. Viimase aja kõige huvitavamad kontseptsioonid puudutavad optilisi arvuteid ja virtuaalset reaalsust.

suhtes hüpoteetilised tulevikuarvutidNäiteks võib tuua Tel Avivi Iisraeli TAU ülikooli spetsialistide uuringud. Nad kavandavad mitmekihilisi nanomaterjale, mida tuleks kasutada optiliste arvutite loomiseks. Šveitsi Paul Scherreri instituudi teadlased ehitasid omakorda miljardist miniatuursest magnetist kolmefaasilise aine, mis on võimeline simuleerida kolme koondolekut, analoogselt veega.

Milleks seda kasutada saab? Iisraellased tahavad ehitada. Šveitslased räägivad andmeedastusest ja salvestamisest, aga ka spintroonikast üldiselt.

Minimagnetitest valmistatud kolmefaasiline metamaterjal, mis jäljendab vee kolme olekut.

Footonid nõudmisel

Energeetikaministeeriumi Lawrence Berkeley riikliku labori teadlaste uuringud võivad viia metamaterjalidel põhinevate optiliste arvutite väljatöötamiseni. Nad teevad ettepaneku luua omamoodi laserraamistik, mis suudab fikseerida teatud aatomite paketid teatud kohas, luues rangelt kavandatud, kontrollitud valguspõhine struktuur. See meenutab looduslikke kristalle. Ühe erinevusega - see on peaaegu täiuslik, looduslikes materjalides ei täheldata defekte.

Teadlased usuvad, et nad mitte ainult ei suuda täpselt kontrollida aatomirühmade asukohta oma "kergekristallis", vaid ka aktiivselt mõjutada üksikute aatomite käitumist, kasutades mõnda teist laserit (infrapuna lähedal). Need panevad need näiteks nõudmisel kiirgama teatud energiat – isegi üksiku footoni, mis ühest kristalli kohast eemaldatuna võib mõjuda teises lõksus olevale aatomile. See on omamoodi lihtne teabevahetus.

Võimalus kiiresti vabastada footon kontrollitud viisil ja viia see väikese kaoga ühelt aatomilt teisele üle on kvantarvutuse oluline teabetöötlusetapp. Võib ette kujutada tervete juhitud footonite massiivi kasutamist väga keerukate arvutuste tegemiseks – palju kiiremini kui tänapäevaste arvutite kasutamine. Tehiskristalli sisse ehitatud aatomid võivad samuti hüpata ühest kohast teise. Sel juhul muutuksid nad ise kvantarvutis infokandjateks või saaksid luua kvantanduri.

Teadlased on leidnud, et rubiidiumi aatomid on nende eesmärkide jaoks ideaalsed. Kuid baariumi, kaltsiumi või tseesiumi aatomeid saab püüda ka tehislaseri kristallidega, kuna neil on sarnane energiatase. Kavandatava metamaterjali tegemiseks päriseksperimendis peaks uurimisrühm jäädvustama mõned aatomid tehiskristallvõre ja hoidma neid seal isegi siis, kui nad on erutunud kõrgema energiaga olekutesse.

Virtuaalreaalsus ilma optiliste defektideta

Metamaterjalid võivad leida kasulikke rakendusi teises arenevas tehnoloogiavaldkonnas. Virtuaalreaalsusel on palju erinevaid piiranguid. Olulist rolli mängivad meile teadaolevad optika puudused. Ideaalset optilist süsteemi on praktiliselt võimatu ehitada, sest alati on nn aberratsioonid, st. mitmesuguste tegurite põhjustatud lainemoonutus. Oleme teadlikud sfäärilistest ja kromaatilistest aberratsioonidest, astigmatismist, koomast ja paljudest muudest optika kahjulikest mõjudest. Igaüks, kes on kasutanud virtuaalreaalsuse komplekte, peab olema nende nähtustega tegelenud. Võimatu on kujundada VR-optikat, mis oleks kerge, toodaks kvaliteetseid pilte, millel pole nähtavat vikerkaart (kromaatilised aberratsioonid), mis annaks suure vaatevälja ja oleks odav. See on lihtsalt ebareaalne.

Seetõttu kasutavad VR-seadmete tootjad Oculus ja HTC nn Fresneli objektiive. See võimaldab saada oluliselt vähem kaalu, kõrvaldada kromaatilised aberratsioonid ja saada suhteliselt madalat hinda (materjal selliste objektiivide tootmiseks on odav). Kahjuks põhjustavad murdumisrõngad w Fresneli läätsed kontrasti oluline langus ja tsentrifugaalsära tekitamine, mis on eriti märgatav seal, kus stseen on suure kontrastiga (must taust).

Kuid hiljuti õnnestus Harvardi ülikooli teadlastel Federico Capasso juhtimisel areneda õhuke ja lame lääts, kasutades metamaterjale. Klaasil olev nanostruktuurikiht on õhem kui juuksekarval (0,002 mm). Sellel mitte ainult ei ole tüüpilisi puudusi, vaid see tagab ka palju parema pildikvaliteedi kui kallid optilised süsteemid.

Capasso lääts, erinevalt tüüpilistest kumerläätsedest, mis painutavad ja hajutavad valgust, muudavad valguslaine omadusi pinnast väljaulatuvate mikroskoopiliste struktuuride tõttu, mis ladestuvad kvartsklaasile. Iga selline serv murrab valgust erinevalt, muutes selle suunda. Seetõttu on oluline selline nanostruktuur (muster), mis on arvutiga kavandatud ja toodetud arvutiprotsessoritele sarnaste meetoditega, õigesti levitada. See tähendab, et seda tüüpi objektiive saab toota samades tehastes kui varem, kasutades teadaolevaid tootmisprotsesse. Pihustamiseks kasutatakse titaandioksiidi.

Tasub mainida veel üht uuenduslikku "metaoptika" lahendust. metamateriaalsed hüperläätsedtehtud Buffalo Ameerika ülikoolis. Hüperläätsede esimesed versioonid olid valmistatud hõbedast ja dielektrilisest materjalist, kuid need töötasid ainult väga kitsas lainepikkuste vahemikus. Buffalo teadlased kasutasid termoplastses korpuses kuldvarraste kontsentrilist paigutust. See töötab nähtava valguse lainepikkuste vahemikus. Teadlased illustreerivad uuest lahendusest tulenevat eraldusvõime suurenemist, kasutades näitena meditsiinilist endoskoopi. Tavaliselt tunneb see ära kuni 10 250 nanomeetrised objektid ja pärast hüperläätsede paigaldamist "langeb" XNUMX nanomeetrini. Disain ületab difraktsiooniprobleemi, nähtus, mis vähendab oluliselt optiliste süsteemide eraldusvõimet – lainemoonutuste asemel muudetakse need laineteks, mida saab salvestada järgmistes optilistes seadmetes.

Ajakirjas Nature Communications avaldatud väljaande kohaselt saab seda meetodit kasutada paljudes valdkondades, alates meditsiinist kuni üksikute molekulide vaatlusteni. On paslik ära oodata metamaterjalidel põhinevad betoonseadmed. Võib-olla võimaldavad need virtuaalreaalsusel lõpuks tõelist edu saavutada. Mis puudutab "optilisi arvutiid", siis need on veel üsna kauged ja ebamäärased väljavaated. Samas ei saa midagi välistada...