„Nematomumo dangteliai“ vis dar yra nematomi

Naujausias iš „nematomumo apsiaustų“ serijos yra Ročesterio universitete gimęs (1), kuriame naudojama atitinkama optinė sistema. Tačiau skeptikai tai vadina kažkokiu iliuzionistiniu triuku ar specialiuoju efektu, kai sumani lęšių sistema laužia šviesą ir apgauna stebėtojo regėjimą.

Už viso to slypi gana pažangi matematika – mokslininkai turi ją panaudoti, kad surastų, kaip nustatyti du lęšius taip, kad šviesa lūžtų taip, kad jie galėtų paslėpti objektą tiesiai už jų. Toks sprendimas veikia ne tik žiūrint tiesiai į lęšius – pakanka 15 laipsnių ar kito kampo.

1. „Nematomumo dangtelis“ iš Ročesterio universiteto.

Jis gali būti naudojamas automobiliuose, siekiant pašalinti akląsias zonas veidrodžiuose arba operacinėse, kad chirurgai galėtų matyti pro rankas. Tai dar vienas iš ilgos apreiškimų serijos apie nematoma technologijakurie atėjo pas mus pastaraisiais metais.

2012 metais jau girdėjome apie „Nematomumo kepurę“ iš Amerikos Duke universiteto. Tik patys smalsiausi tada skaitė, kad tai buvo apie mažo cilindro nematomumą mažame mikrobangų spektro fragmente. Prieš metus „Duke“ pareigūnai pranešė apie slaptą sonaro technologiją, kuri kai kuriuose sluoksniuose gali atrodyti daug žadanti.

Deja, taip buvo nematomumas tik tam tikru požiūriu ir siaura apimtimi, todėl technologija buvo mažai naudinga. 2013 m. nenuilstantys Duke inžinieriai pasiūlė 3D spausdintą įrenginį, kuris užmaskuotų viduje esantį objektą su mikro skylutėmis konstrukcijoje (2). Tačiau vėlgi, tai atsitiko ribotame bangų diapazone ir tik tam tikru požiūriu.

Internete publikuotos nuotraukos atrodė daug žadančios kyšulio Kanados kompanija „Hyperstealth“, kuri 2012 metais buvo reklamuojama intriguojančiu Quantum Stealth pavadinimu (3). Deja, veikiantys prototipai niekada nebuvo demonstruojami, taip pat nebuvo paaiškinta, kaip tai veikia. Bendrovė kaip priežastį nurodo saugumo problemas ir paslaptingai praneša, kad ruošia slaptas produkto versijas kariuomenei.

Priekinis monitorius, galinė kamera

Pirmasis modernusnematomumo dangtelis» Prieš dešimt metų pristatė japonų inžinierius prof. Susumu Tachi iš Tokijo universiteto. Jis naudojo kamerą, pastatytą už vyro, vilkinčio paltą, kuris taip pat buvo monitorius. Ant jo buvo projektuojamas vaizdas iš galinės kameros. Apsiaustas vyras buvo „nematomas“. Panašią gudrybę naudoja Adaptiv transporto priemonių maskavimo įtaisas, kurį praėjusį dešimtmetį pristatė BAE Systems (4).

Jis rodo infraraudonųjų spindulių vaizdą „iš nugaros“ ant tanko šarvų. Tokios mašinos tiesiog nematyti stebėjimo įrenginiuose. Objektų maskavimo idėja susiformavo 2006 m. Johnas Pendry iš Londono imperatoriškojo koledžo, Davidas Schurigas ir Davidas Smithas iš Duke universiteto žurnale Science paskelbė „transformacijos optikos“ teoriją ir pristatė, kaip ji veikia mikrobangų (ilgesnių bangų nei matoma šviesa) atveju.

2. Trijų matmenų „nematomumo dangtelis“.

Atitinkamų metamedžiagų pagalba elektromagnetinė banga gali būti išlenkta taip, kad aplenktų aplinkinį objektą ir grįžtų į dabartinį kelią. Bendrą optinę terpės reakciją apibūdinantis parametras yra lūžio rodiklis, nurodantis, kiek kartų lėčiau nei vakuume šioje terpėje juda šviesa. Mes apskaičiuojame jį kaip santykinio elektrinio ir magnetinio pralaidumo sandaugos šaknį.

santykinis elektrinis pralaidumas; nustato, kiek kartų elektrinės sąveikos jėga tam tikroje medžiagoje yra mažesnė už sąveikos jėgą vakuume. Todėl tai matas, kaip stipriai medžiagos elektriniai krūviai reaguoja į išorinį elektrinį lauką. Dauguma medžiagų turi teigiamą laidumą, o tai reiškia, kad medžiagos pakeistas laukas vis dar turi tą pačią reikšmę kaip ir išorinis laukas.

Santykinis magnetinis pralaidumas m nustato, kaip keičiasi magnetinis laukas erdvėje, užpildytoje tam tikra medžiaga, palyginti su magnetiniu lauku, kuris egzistuotų vakuume su tuo pačiu išoriniu magnetinio lauko šaltiniu. Visų natūraliai susidarančių medžiagų santykinis magnetinis pralaidumas yra teigiamas. Permatomoms terpėms, tokioms kaip stiklas ar vanduo, visi trys kiekiai yra teigiami.

Tada šviesa, einanti iš vakuumo arba oro (oro parametrai tik nežymiai skiriasi nuo vakuumo) į terpę, lūžta pagal lūžio dėsnį ir kritimo kampo sinuso santykis su lūžio kampo sinusu. lygus šios terpės lūžio rodikliui. Reikšmė mažesnė už nulį; o m reiškia, kad terpėje esantys elektronai juda priešinga kryptimi nei jėga, kurią sukuria elektrinis arba magnetinis laukas.

Būtent taip atsitinka metaluose, kuriuose laisvųjų elektronų dujos patiria savo virpesius. Jeigu elektromagnetinės bangos dažnis neviršija šių natūralių elektronų virpesių dažnio, tai šie virpesiai taip efektyviai ekranuoja bangos elektrinį lauką, kad neleidžia jai prasiskverbti giliai į metalą ir net sukurti priešingai nukreipto lauko. į išorinį lauką.

Dėl to tokios medžiagos laidumas yra neigiamas. Negalėdamas giliai prasiskverbti į metalą, elektromagnetinė spinduliuotė atsispindi nuo metalo paviršiaus, o pats metalas įgauna būdingą blizgesį. O kas, jei abiejų tipų laidumas būtų neigiamas? Šį klausimą 1967 metais uždavė rusų fizikas Viktoras Veselago. Pasirodo, tokios terpės lūžio rodiklis yra neigiamas ir šviesa lūžta visiškai kitaip nei išplaukia iš įprasto lūžio dėsnio.

5. Neigiama refrakcija metamedžiagos paviršiuje – vizualizacija

Tada elektromagnetinės bangos energija perduodama į priekį, tačiau elektromagnetinės bangos maksimumai juda priešinga impulso formai ir perduodamai energijai. Gamtoje tokių medžiagų nėra (nėra medžiagų, turinčių neigiamą magnetinį laidumą). Tik pirmiau minėtame 2006 m. leidinyje ir daugelyje kitų vėlesniais metais sukurtų leidinių buvo galima aprašyti ir todėl pastatyti dirbtines struktūras su neigiamu lūžio rodikliu (5).

Jie vadinami metamedžiagomis. Graikiškas priešdėlis „meta“ reiškia „po“, tai yra, tai yra konstrukcijos, pagamintos iš natūralių medžiagų. Metamedžiagos įgyja reikiamas savybes statydamos mažas elektros grandines, imituojančias magnetines arba elektrines medžiagos savybes. Daugelis metalų turi neigiamą elektrinį laidumą, todėl užtenka palikti vietos elementams, duodantiems neigiamą magnetinį atsaką.

Vietoj vienalyčio metalo prie izoliacinės medžiagos plokštės pritvirtinta daug plonų metalinių laidų, išdėstytų kubinio tinklelio pavidalu. Keičiant laidų skersmenį ir atstumą tarp jų, galima reguliuoti dažnio reikšmes, kurioms esant konstrukcija turės neigiamą elektros laidumą. Norint gauti neigiamą magnetinį pralaidumą paprasčiausiu atveju, konstrukciją sudaro du sulaužyti žiedai, pagaminti iš gero laidininko (pavyzdžiui, aukso, sidabro ar vario) ir atskirti kitos medžiagos sluoksniu.

Tokia sistema vadinama split ring resonator – sutrumpintai SRR, iš anglų kalbos. Padalytas žiedas rezonatorius (6). Dėl žieduose esančių tarpų ir atstumo tarp jų turi tam tikrą talpą, kaip ir kondensatorius, o kadangi žiedai pagaminti iš laidžios medžiagos, tai turi ir tam tikrą induktyvumą, t.y. gebėjimas generuoti sroves.

Dėl elektromagnetinės bangos išorinio magnetinio lauko pasikeitimų žieduose teka srovė, o ši srovė sukuria magnetinį lauką. Pasirodo, su atitinkama konstrukcija sistemos sukurtas magnetinis laukas nukreipiamas priešingai išoriniam laukui. Dėl to medžiagos, kurioje yra tokių elementų, magnetinis pralaidumas yra neigiamas. Nustačius metamedžiagų sistemos parametrus, galima gauti neigiamą magnetinį atsaką gana plačiame bangų dažnių diapazone.

meta – pastatas

Projektuotojų svajonė – sukurti sistemą, kurioje bangos idealiai tekėtų aplink objektą (7). 2008 m. Kalifornijos universiteto Berklyje mokslininkai pirmą kartą istorijoje sukūrė trimates medžiagas, kurios turi neigiamą matomos ir artimos infraraudonosios šviesos lūžio rodiklį, lenkdamos šviesą priešinga jos natūraliai krypčiai. Jie sukūrė naują metamedžiagą, derindami sidabrą su magnio fluoridu.

Tada jis supjaustomas į matricą, sudarytą iš miniatiūrinių adatų. Neigiamos lūžio reiškinys buvo pastebėtas esant 1500 nm bangos ilgiui (arti infraraudonųjų spindulių). 2010 m. pradžioje Tolga Ergin iš Karlsruhe technologijos instituto ir kolegos iš Londono imperatoriškojo koledžo sukūrė nematomas šviesos užuolaida. Tyrėjai naudojo rinkoje esančias medžiagas.

Jie panaudojo fotoninius kristalus, padėtus ant paviršiaus, kad padengtų mikroskopinį aukso plokštelės išsikišimą. Taigi metamedžiaga buvo sukurta iš specialių lęšių. Lęšiai, esantys priešais plokštelės kuprą, yra išdėstyti taip, kad, nukreipdami dalį šviesos bangų, pašalina šviesos sklaidą ant iškilimo. Stebėdami plokštelę mikroskopu, naudodami šviesą, kurios bangos ilgis artimas matomos šviesos bangos ilgiui, mokslininkai pamatė plokščią plokštelę.

Vėliau mokslininkai iš Duke universiteto ir Londono imperatoriškojo koledžo sugebėjo gauti neigiamą mikrobangų spinduliuotės atspindį. Norint gauti šį efektą, atskiri metamedžiagos struktūros elementai turi būti mažesni už šviesos bangos ilgį. Taigi tai techninis iššūkis, kuriam reikia sukurti labai mažas metamedžiagų struktūras, kurios atitiktų šviesos bangos ilgį, kurį jos turėtų lūžti.

Matomos šviesos (nuo violetinės iki raudonos) bangos ilgis yra nuo 380 iki 780 nanometrų (nanometras yra viena milijardoji metro dalis). Į pagalbą atskubėjo Škotijos Sent Andrews universiteto nanotechnologai. Jie gavo vieną sluoksnį itin tankiai susietos metamedžiagos. „New Journal of Physics“ puslapiuose aprašomas metafleksas, galintis išlenkti maždaug 620 nanometrų (oranžinės raudonos šviesos) bangos ilgį.

2012 metais grupė amerikiečių mokslininkų iš Teksaso universiteto Ostine sugalvojo visiškai kitokį triuką naudodami mikrobangų krosneles. 18 cm skersmens cilindras buvo padengtas neigiamos varžos plazmine medžiaga, kuri leidžia manipuliuoti savybėmis. Jei jis turi visiškai priešingas paslėpto objekto optines savybes, jis sukuria savotišką „neigiamą“.

Taigi dvi bangos persidengia ir objektas tampa nematomas. Dėl to medžiaga gali sulenkti kelis skirtingus bangos dažnių diapazonus taip, kad jie tekėtų aplink objektą, susiliedami kitoje jo pusėje, o tai gali būti nepastebėta išoriniam stebėtojui. Teorinių sampratų daugėja.

Maždaug prieš keliolika mėnesių „Advanced Optical Materials“ paskelbė straipsnį apie galbūt novatorišką Centrinės Floridos universiteto mokslininkų tyrimą. Kas žino, ar jiems nepavyko įveikti esamų apribojimų "nematomos skrybėlės» Pagaminta iš metamedžiagų. Remiantis jų paskelbta informacija, objekto dingimas matomos šviesos diapazone yra įmanomas.

7. Teoriniai šviesos lenkimo ant nematomo objekto būdai

Debashis Chanda ir jo komanda aprašo trimatės struktūros metamedžiagos naudojimą. Jį gauti buvo galima dėka vadinamųjų. nanotransfer spausdinimas (NTP), kuris gamina metalines dielektrines juostas. Lūžio rodiklis gali būti keičiamas nanoinžinerijos metodais. Šviesos sklidimo kelias turi būti valdomas trimatėje medžiagos paviršiaus struktūroje elektromagnetinio rezonanso metodu.

Mokslininkai savo išvadose daro labai atsargūs, tačiau iš jų technologijos aprašymo visiškai aišku, kad tokios medžiagos dangos gali dideliu mastu nukreipti elektromagnetines bangas. Be to, naujos medžiagos gavimo būdas leidžia gaminti didelius plotus, todėl kai kurie svajojo apie naikintuvus, padengtus tokiu kamufliažu, kuris aprūpintų juos nematomumas baigtas, nuo radaro iki dienos šviesos.

Slėpimo prietaisai, naudojantys metamedžiagas ar optines technikas, nesukelia tikro objektų išnykimo, o tik jų nematomumą aptikimo įrankiams, o galbūt netrukus ir akims. Tačiau jau yra radikalesnių idėjų. Jeng Yi Lee ir Ray-Kuang Lee iš Taivano nacionalinio Tsing Hua universiteto pasiūlė teorinę kvantinio „nematomumo apsiausto“, galinčio pašalinti objektus ne tik iš regėjimo lauko, bet ir iš visos tikrovės, koncepciją.

Tai veiks panašiai kaip buvo aptarta aukščiau, tačiau vietoj Maksvelo lygčių bus naudojama Schrödingerio lygtis. Esmė ta, kad objekto tikimybės lauką reikia ištempti taip, kad jis būtų lygus nuliui. Teoriškai tai įmanoma mikroskalėje. Tačiau tokio dangčio gamybos technologinių galimybių teks laukti ilgai. kaip ir bet kuris"nematomumo dangtelis„Galima sakyti, kad ji tikrai kažką slėpė nuo mūsų akiračio.