Naujos metamedžiagos: valdoma šviesa

Daugybė pranešimų apie „metamedžiagas“ (kabutėse, nes apibrėžimas pradeda neryškiai) verčia mus galvoti apie juos kaip apie panacėją nuo visų problemų, skausmų ir apribojimų, su kuriais susiduria šiuolaikinis technologijų pasaulis. Pastaruoju metu įdomiausios sąvokos susijusios su optiniais kompiuteriais ir virtualia realybe.

santykiuose hipotetiniai ateities kompiuteriaiPavyzdžiui, Izraelio TAU universiteto Tel Avive specialistų studijos. Jie kuria daugiasluoksnes nanomedžiagas, kurios turėtų būti naudojamos optiniams kompiuteriams kurti. Savo ruožtu Šveicarijos Paulo Scherrer instituto mokslininkai iš milijardo miniatiūrinių magnetų sukūrė trifazę medžiagą, galinčią imituoti tris suvestines būsenas, pagal analogiją su vandeniu.

Kam jis gali būti naudojamas? Izraeliečiai nori statyti. Šveicarai kalba apie duomenų perdavimą ir įrašymą, taip pat apie spintroniką apskritai.

Trifazis minimagnetinis metamedžiaga, imituojanti tris vandens būsenas.

Fotonai pagal poreikį

Energetikos departamento Lawrence'o Berkeley nacionalinės laboratorijos mokslininkų tyrimai gali paskatinti optinių kompiuterių, pagrįstų metamedžiagomis, kūrimą. Jie siūlo sukurti savotišką lazerinį karkasą, galintį užfiksuoti tam tikrus atomų paketus tam tikroje vietoje, sukuriant griežtai suprojektuotą, kontroliuojamą šviesos pagrindu sukurta struktūra. Jis primena natūralius kristalus. Su vienu skirtumu – jis beveik tobulas, natūraliose medžiagose nepastebima jokių defektų.

Mokslininkai mano, kad jie galės ne tik griežtai kontroliuoti atomų grupių padėtį savo „šviesiame kristale“, bet ir kitu lazeriu (artimojo infraraudonųjų spindulių diapazono) aktyviai paveikti atskirų atomų elgesį. Jie privers juos, pavyzdžiui, pagal poreikį skleisti tam tikrą energiją – net vieną fotoną, kuris, pašalintas iš vienos kristalo vietos, gali veikti kitoje įstrigusį atomą. Tai bus savotiškas paprastas apsikeitimas informacija.

Galimybė greitai išlaisvinti fotoną kontroliuojamu būdu ir su nedideliais nuostoliais perkelti jį iš vieno atomo į kitą yra svarbus informacijos apdorojimo žingsnis kvantiniam skaičiavimui. Galima įsivaizduoti naudojant ištisas valdomų fotonų matricas labai sudėtingiems skaičiavimams atlikti – daug greičiau nei naudojant šiuolaikinius kompiuterius. Atomai, įterpti į dirbtinį kristalą, taip pat galėjo šokinėti iš vienos vietos į kitą. Tokiu atveju jie patys taptų informacijos nešėjais kvantiniame kompiuteryje arba galėtų sukurti kvantinį jutiklį.

Mokslininkai nustatė, kad rubidžio atomai idealiai tinka jų tikslams. Tačiau bario, kalcio ar cezio atomai taip pat gali būti užfiksuoti dirbtiniu lazerio kristalu, nes jie turi panašų energijos lygį. Kad pasiūlyta metamedžiaga būtų atlikta tikrame eksperimente, tyrėjų komanda turėtų užfiksuoti keletą atomų dirbtinėje kristalinėje gardelėje ir išlaikyti juos ten net tada, kai sužadinama didesnės energijos būsenos.

Virtuali realybė be optinių defektų

Metamedžiagos gali rasti naudingų pritaikymų kitoje besivystančioje technologijų srityje. Virtuali realybė turi daug skirtingų apribojimų. Didelį vaidmenį atlieka mums žinomi optikos trūkumai. Tobulos optinės sistemos sukurti praktiškai neįmanoma, nes visada atsiranda vadinamųjų aberacijų, t.y. bangos iškraipymas, kurį sukelia įvairūs veiksniai. Mes žinome apie sferines ir chromatines aberacijas, astigmatizmą, komą ir daugybę kitų neigiamų optikos padarinių. Kiekvienas, kuris naudojosi virtualios realybės rinkiniais, turi būti susidūręs su šiais reiškiniais. Neįmanoma sukurti lengvos, aukštos kokybės vaizdų, neturinčios matomos vaivorykštės (chromatinės aberacijos), suteikiančios didelį matymo lauką ir pigios VR optikos. Tai tiesiog nerealu.

Štai kodėl VR įrangos gamintojai Oculus ir HTC naudoja vadinamuosius Fresnel objektyvus. Tai leidžia gauti žymiai mažesnį svorį, pašalinti chromatines aberacijas ir gauti palyginti mažą kainą (medžiaga tokių lęšių gamybai yra pigi). Deja, refrakcijos žiedai sukelia w Frenelio lęšiai reikšmingas kontrasto sumažėjimas ir išcentrinio švytėjimo sukūrimas, kuris ypač pastebimas ten, kur scena turi didelį kontrastą (juodas fonas).

Tačiau neseniai mokslininkai iš Harvardo universiteto, vadovaujami Federico Capasso, sugebėjo sukurti plonas ir plokščias lęšis naudojant metamedžiagas. Nanostruktūros sluoksnis ant stiklo yra plonesnis nei žmogaus plaukas (0,002 mm). Jis ne tik neturi būdingų trūkumų, bet ir suteikia daug geresnę vaizdo kokybę nei brangios optinės sistemos.

Capasso lęšis, skirtingai nei tipiniai išgaubti lęšiai, kurie lenkia ir išsklaido šviesą, keičia šviesos bangos savybes dėl iš paviršiaus išsikišusių mikroskopinių struktūrų, nusėdusių ant kvarcinio stiklo. Kiekviena tokia atbraila skirtingai laužia šviesą, keisdama jos kryptį. Todėl svarbu tinkamai paskirstyti tokią nanostruktūrą (schemą), kuri yra sukurta kompiuteriu ir pagaminta naudojant metodus, panašius į kompiuterių procesorius. Tai reiškia, kad tokio tipo lęšiai gali būti gaminami tose pačiose gamyklose kaip ir anksčiau, naudojant žinomus gamybos procesus. Titano dioksidas naudojamas purškimui.

Verta paminėti dar vieną inovatyvų „metaoptikos“ sprendimą. metamedžiagos hiperlęšiaipriimtas Amerikos universitete Bafale. Pirmosios hiperlęšių versijos buvo pagamintos iš sidabro ir dielektrinės medžiagos, tačiau jos veikė tik labai siaurame bangos ilgių diapazone. Buffalo mokslininkai panaudojo koncentrinį aukso strypų išdėstymą termoplastiniame korpuse. Jis veikia matomos šviesos bangos ilgio diapazone. Tyrėjai iliustruoja naujojo sprendimo padidintą skiriamąją gebą, kaip pavyzdį naudodami medicininį endoskopą. Dažniausiai atpažįsta objektus iki 10 250 nanometrų, o įdėjus hiperlęšius „nukrenta“ iki XNUMX nanometrų. Dizainas įveikia difrakcijos problemą – reiškinį, kuris žymiai sumažina optinių sistemų skiriamąją gebą – vietoj bangų iškraipymo jos paverčiamos bangomis, kurias galima įrašyti vėlesniuose optiniuose įrenginiuose.

Remiantis leidiniu Nature Communications, šis metodas gali būti naudojamas daugelyje sričių – nuo ​​medicinos iki vienos molekulės stebėjimų. Tikslinga palaukti betoninių įtaisų metamedžiagų pagrindu. Galbūt jie leis virtualiai realybei pagaliau pasiekti tikros sėkmės. Kalbant apie „optinius kompiuterius“, tai dar gana tolimos ir miglotos perspektyvos. Tačiau nieko negalima atmesti...