"Nähtamatuse mütsid" on endiselt nähtamatud

Uusim "nähtamatuse mantlite" seeria on Rochesteri ülikoolis sündinud (1), mis kasutab sobivat optilist süsteemi. Skeptikud nimetavad seda aga mingiks illusionistlikuks nipiks või eriefektiks, mille puhul nutikas läätsesüsteem murrab valgust ja petab vaatleja nägemist.

Selle kõige taga on üsna arenenud matemaatika – teadlased peavad seda kasutama, et leida, kuidas seada kaks läätse nii, et valgus murduks nii, et nad saaksid objekti otse nende taha peita. See lahendus ei tööta ainult otse objektiividele vaadates – piisab 15-kraadisest või teisest nurgast.

1. "Nähtamatuse kork" Rochesteri ülikoolist.

Seda saab kasutada autodes pimealade eemaldamiseks peeglitest või operatsioonisaalides, võimaldades kirurgidel näha läbi oma käte. See on järjekordne pikast paljastustest selle kohta nähtamatu tehnoloogiamis on meile viimastel aastatel jõudnud.

2012. aastal kuulsime juba Ameerika Duke'i ülikoolist "Nähtamatuse korgist". Ainult kõige uudishimulikumad lugesid siis, et jutt oli väikese silindri nähtamatusest mikrolainespektri tillukeses fragmendis. Aasta varem teatasid Duke'i ametnikud sonari stealth-tehnoloogiast, mis võib mõnes ringkonnas paljulubav tunduda.

Kahjuks oli nähtamatus ainult teatud vaatenurgast ja kitsas ulatuses, mis muutis tehnoloogiast vähe kasu. 2013. aastal pakkusid Duke'i väsimatud insenerid välja 3D-prinditud seadme, mis maskeeris selle sisse asetatud objekti konstruktsiooni mikroaukudega (2). Kuid jällegi juhtus see piiratud lainete vahemikus ja ainult teatud vaatenurgast.

Internetis avaldatud fotod nägid paljulubavad välja neeme Kanada firma Hyperstealth, mida 2012. aastal reklaamiti intrigeeriva nime all Quantum Stealth (3). Töötavaid prototüüpe pole kahjuks kunagi demonstreeritud, samuti pole selgitatud, kuidas see töötab. Ettevõte nimetab põhjusena turvaprobleeme ja teatab salapäraselt, et valmistab sõjaväe jaoks ette toote salaversioone.

Eesmine monitor, tagumine kaamera

Esimene kaasaegnenähtamatuse kork» Kümme aastat tagasi tutvustas Jaapani insener prof. Susumu Tachi Tokyo ülikoolist. Ta kasutas kaamerat, mis oli paigutatud mantlit kandva mehe taha, mis oli ühtlasi ka monitor. Sellele projitseeriti tagumise kaamera pilt. Mantliga mees oli "nähtamatu". Sarnast nippi kasutab BAE Systemsi eelmisel kümnendil kasutusele võetud Adaptiv sõidukite kamuflaažiseade (4).

See kuvab infrapuna kujutist "tagant" tanki soomukil. Sellist masinat sihikuseadmetes lihtsalt ei näe. Objektide maskeerimise idee sai kuju 2006. aastal. John Pendry Londoni Imperial College'ist, David Schurig ja David Smith Duke'i ülikoolist avaldasid "transformatsioonioptika" teooria ajakirjas Science ja tutvustasid, kuidas see töötab mikrolainete puhul (pikemad lainepikkused kui nähtav valgus).

2. Kolmemõõtmeliselt trükitud "nähtamatuse kork".

Sobivate metamaterjalide abil saab elektromagnetlainet painutada nii, et see möödub ümbritsevast objektist ja pöördub tagasi oma praegusele teele. Söötme üldist optilist reaktsiooni iseloomustavaks parameetriks on murdumisnäitaja, mis määrab, mitu korda aeglasemalt kui vaakumis valgus selles keskkonnas liigub. Arvutame selle suhtelise elektrilise ja magnetilise läbitavuse korrutise juurena.

suhteline elektriline läbilaskvus; määrab, mitu korda on elektriline vastastikmõju antud aines väiksem interaktsioonijõust vaakumis. Seetõttu on see mõõt, kui tugevalt reageerivad aines olevad elektrilaengud välisele elektriväljale. Enamikul ainetel on positiivne läbitavus, mis tähendab, et aine poolt muudetud väljal on endiselt sama tähendus, mis välisel väljal.

Suhteline magnetiline läbilaskvus m määrab, kuidas muutub magnetväli antud materjaliga täidetud ruumis, võrreldes magnetväljaga, mis eksisteeriks vaakumis sama välise magnetvälja allikaga. Kõigi looduslikult esinevate ainete puhul on suhteline magnetiline läbilaskvus positiivne. Läbipaistva kandja (nt klaas või vesi) puhul on kõik kolm kogust positiivsed.

Seejärel valgus, mis liigub vaakumist või õhust (õhu parameetrid erinevad vaakumist vaid veidi) keskkonda, murdub vastavalt murdumisseadusele ning langemisnurga siinuse ja murdumisnurga siinuse suhe saadakse võrdne selle keskkonna murdumisnäitajaga. Väärtus on väiksem kui null; ja m tähendab, et keskkonnas olevad elektronid liiguvad elektri- või magnetvälja tekitatavale jõule vastupidises suunas.

Täpselt nii juhtub metallides, kus vaba elektrongaas läbib oma võnkumisi. Kui elektromagnetlaine sagedus ei ületa nende elektronide loomulike võnkumiste sagedust, siis need võnked varjavad laine elektrivälja nii tõhusalt, et ei lase sellel tungida sügavale metalli ja tekitada isegi vastupidiselt suunatud välja. välisele väljale.

Selle tulemusena on sellise materjali läbitavus negatiivne. Suutmata sügavale metalli tungida, peegeldub elektromagnetkiirgus metalli pinnalt ja metall ise omandab iseloomuliku läike. Mis siis, kui mõlemat tüüpi läbilaskvus on negatiivne? Selle küsimuse esitas 1967. aastal vene füüsik Viktor Veselago. Selgub, et sellise keskkonna murdumisnäitaja on negatiivne ja valgus murdub hoopis teistmoodi, kui tavapärasest murdumisseadusest järeldub.

5. Negatiivne murdumine metamaterjali pinnal – visualiseerimine

Seejärel kandub elektromagnetlaine energia edasi, kuid elektromagnetlaine maksimumid liiguvad impulsi kuju ja ülekantava energia suhtes vastupidises suunas. Selliseid materjale looduses ei eksisteeri (pole olemas negatiivse magnetilise läbilaskvusega aineid). Ainult ülalmainitud 2006. aasta väljaandes ja paljudes teistes järgnevatel aastatel ilmunud väljaannetes oli võimalik kirjeldada ja seega ehitada negatiivse murdumisnäitajaga tehisstruktuure (5).

Neid nimetatakse metamaterjalideks. Kreeka eesliide "meta" tähendab "pärast", see tähendab, et need on looduslikest materjalidest valmistatud struktuurid. Metamaterjalid omandavad vajalikud omadused, ehitades pisikesi elektrilisi ahelaid, mis jäljendavad materjali magnetilisi või elektrilisi omadusi. Paljudel metallidel on negatiivne elektriline läbilaskvus, mistõttu piisab, kui jätta ruumi elementidele, mis annavad negatiivse magnetreaktsiooni.

Homogeense metalli asemel on isoleermaterjalist plaadile kinnitatud palju peenikesi metalltraate, mis on paigutatud kuupvõre kujul. Juhtmete läbimõõdu ja nendevahelise kauguse muutmisega on võimalik reguleerida sagedusväärtusi, mille juures konstruktsioonil on negatiivne elektriline läbilaskvus. Negatiivse magnetilise läbilaskvuse saavutamiseks kõige lihtsamal juhul koosneb konstruktsioon kahest purustatud rõngast, mis on valmistatud heast juhist (näiteks kullast, hõbedast või vasest) ja on eraldatud mõne muu materjali kihiga.

Sellist süsteemi nimetatakse split ring resonator – inglise keelest lühendatult SRR. Poolrõngasresonaator (6). Rõngaste tühimike ja nendevahelise kauguse tõttu on tal nagu kondensaatoril teatud mahtuvus ja kuna rõngad on juhtivast materjalist, siis on tal ka teatud induktiivsus, st. võime genereerida voolu.

Elektromagnetlainest tingitud välise magnetvälja muutused põhjustavad rõngastes voolu ja see vool tekitab magnetvälja. Selgub, et sobiva konstruktsiooni korral on süsteemi tekitatav magnetväli suunatud välisväljale vastupidiselt. Selle tulemuseks on selliseid elemente sisaldava materjali negatiivne magnetiline läbilaskvus. Seades metamaterjalide süsteemi parameetrid, on võimalik saada negatiivne magnetreaktsioon üsna laias lainesageduste vahemikus.

meta - hoone

Projekteerijate unistus on ehitada süsteem, milles lained ideaalis liiguksid ümber objekti (7). California Berkeley ülikooli teadlased lõid 2008. aastal esimest korda ajaloos kolmemõõtmelisi materjale, millel on nähtava ja lähiinfrapunavalguse jaoks negatiivne murdumisnäitaja, painutades valgust loomulikule suunale vastupidises suunas. Nad lõid uue metamaterjali, kombineerides hõbedat magneesiumfluoriidiga.

Seejärel lõigatakse see maatriksiks, mis koosneb miniatuursetest nõeltest. Negatiivse murdumise nähtust on täheldatud lainepikkustel 1500 nm (infrapuna lähedal). 2010. aasta alguses lõi Tolga Ergin Karlsruhe Tehnoloogiainstituudist ja kolleegid Londoni Imperial College'ist nähtamatu kerge kardin. Teadlased kasutasid turul saadaolevaid materjale.

Nad kasutasid pinnale asetatud fotoonkristalle, et katta kuldplaadil mikroskoopiline eend. Seega loodi metamaterjal spetsiaalsetest läätsedest. Plaadil küüru vastas olevad läätsed paiknevad selliselt, et osa valguslaineid kõrvale tõrjudes elimineerivad valguse hajumise kühmel. Vaadeldes plaati mikroskoobi all, kasutades valgust, mille lainepikkus oli lähedane nähtavale valgusele, nägid teadlased tasast plaati.

Hiljem suutsid Duke'i ülikooli ja Londoni Imperial College'i teadlased saada mikrolainekiirguse negatiivse peegelduse. Selle efekti saavutamiseks peavad metamaterjali struktuuri üksikud elemendid olema väiksemad kui valguse lainepikkus. Seega on see tehniline väljakutse, mis nõuab väga väikeste metamaterjalide struktuuride tootmist, mis vastavad valguse lainepikkusele, mida nad peaksid murdma.

Nähtava valguse (violetsest punaseni) lainepikkus on 380–780 nanomeetrit (nanomeeter on üks miljardik meetrit). Appi tulid Šoti St. Andrewsi ülikooli nanotehnoloogid. Nad said ühe kihi äärmiselt tiheda võrguga metamaterjali. Ajakirja New Journal of Physics lehekülgedel kirjeldatakse metaflexi, mis on võimeline painutama umbes 620 nanomeetriseid lainepikkusi (oranžikaspunane valgus).

2012. aastal tuli rühm Ameerika teadlasi Austini Texase ülikoolist välja hoopis teistsuguse nipi, kasutades mikrolaineid. 18 cm läbimõõduga silinder kaeti negatiivse impedantsiga plasmamaterjaliga, mis võimaldab omadustega manipuleerida. Kui sellel on peidetud objektile täpselt vastupidised optilised omadused, loob see omamoodi "negatiivse".

Seega need kaks lainet kattuvad ja objekt muutub nähtamatuks. Selle tulemusena võib materjal painutada mitut erinevat laine sagedusvahemikku nii, et need voolavad ümber objekti, koondudes selle teisele poole, mis ei pruugi olla välisele vaatlejale märgatav. Teoreetilised mõisted paljunevad.

Umbes tosin kuud tagasi avaldas Advanced Optical Materials artikli Kesk-Florida ülikooli teadlaste võimalikust murrangulisest uuringust. Kes teab, kas neil ei õnnestunud ületada olemasolevaid piiranguidnähtamatud mütsid» Ehitatud metamaterjalidest. Nende avaldatud info kohaselt on objekti kadumine nähtava valguse ulatuses võimalik.

7. Valguse painutamise teoreetilised viisid nähtamatule objektile

Debashis Chanda ja tema meeskond kirjeldavad kolmemõõtmelise struktuuriga metamaterjali kasutamist. See oli võimalik saada tänu nn. nanotransfer printing (NTP), mis toodab metall-dielektrilisi teipe. Murdumisnäitaja saab muuta nanoinseneri meetoditega. Valguse levimise teed tuleb kontrollida materjali kolmemõõtmelises pinnastruktuuris elektromagnetresonantsmeetodil.

Teadlased on oma järeldustes väga ettevaatlikud, kuid nende tehnoloogia kirjeldusest on üsna selge, et sellisest materjalist katted on võimelised elektromagnetlaineid suurel määral kõrvale tõrjuma. Lisaks võimaldab uue materjali saamisviis toota suuri alasid, mistõttu on mõned unistanud võitlejatest, mis on kaetud sellise kamuflaažiga, mis tagaks neile nähtamatus täielik, radarist päevavalguseni.

Metamaterjale või optilisi tehnikaid kasutavad peiteseadmed ei põhjusta objektide tegelikku kadumist, vaid nende nähtamatust tuvastamisvahenditele ja varsti võib-olla ka silmale. Siiski on juba radikaalsemaid ideid. Jeng Yi Lee ja Ray-Kuang Lee Taiwani riiklikust Tsing Hua ülikoolist pakkusid välja kvant "nähtamatuse katte" teoreetilise kontseptsiooni, mis suudab eemaldada objekte mitte ainult vaateväljast, vaid ka reaalsusest tervikuna.

See toimib sarnaselt ülalkirjeldatule, kuid Maxwelli võrrandite asemel kasutatakse Schrödingeri võrrandit. Eesmärk on venitada objekti tõenäosusvälja nii, et see oleks võrdne nulliga. Teoreetiliselt on see mikroskaalal võimalik. Sellise katte valmistamise tehnoloogiliste võimaluste ootamine võtab aga kaua aega. nagu iga"nähtamatuse kork"Võib öelda, et ta tõesti varjas midagi meie silme eest.