Jauni metamateriāli: gaisma tiek kontrolēta
Daudzi ziņojumi par "metamateriāliem" (pēdiņās, jo definīcija sāk kļūt neskaidra) liek mums domāt par tiem kā gandrīz panaceju visām problēmām, sāpēm un ierobežojumiem, ar kuriem saskaras mūsdienu tehnoloģiju pasaule. Pēdējā laikā interesantākie jēdzieni attiecas uz optiskajiem datoriem un virtuālo realitāti.
attiecībās hipotētiskie nākotnes datoriKā piemēru var minēt Izraēlas TAU universitātes Telavivas speciālistu pētījumus. Viņi izstrādā daudzslāņu nanomateriālus, kas būtu jāizmanto optisko datoru radīšanai. Savukārt Šveices Pola Šerera institūta pētnieki no miljarda miniatūru magnētu uzbūvēja trīsfāžu vielu, kas spēj simulē trīs agregātu stāvokļus, pēc analoģijas ar ūdeni.
Kādam nolūkam to var izmantot? Izraēlieši vēlas būvēt. Šveicieši runā par datu pārraidi un ierakstīšanu, kā arī spintroniku kopumā.
Trīsfāzu metamateriāls, kas izgatavots no minimagnētiem, kas atdarina trīs ūdens stāvokļus.
Fotoni pēc pieprasījuma
Enerģētikas departamenta Lawrence Berkeley Nacionālās laboratorijas zinātnieku pētījumi var novest pie optisko datoru izstrādes, kuru pamatā ir metamateriāli. Viņi ierosina izveidot sava veida lāzera ietvaru, kas var uztvert noteiktas atomu paketes noteiktā vietā, radot stingri izstrādātu, kontrolētu uz gaismu balstīta struktūra. Tas atgādina dabiskos kristālus. Ar vienu atšķirību - tas ir gandrīz ideāls, dabīgajos materiālos defekti nav novērojami.
Zinātnieki uzskata, ka viņi ne tikai spēs stingri kontrolēt atomu grupu stāvokli savā "gaismas kristālā", bet arī aktīvi ietekmēt atsevišķu atomu uzvedību, izmantojot citu lāzeru (tuvu infrasarkano staru diapazonu). Tie liks tiem, piemēram, pēc pieprasījuma izstarot noteiktu enerģiju – pat vienu fotonu, kas, noņemot no vienas vietas kristālā, var iedarboties uz atomu, kas iesprostots citā. Tā būs sava veida vienkārša informācijas apmaiņa.
Spēja ātri atbrīvot fotonu kontrolētā veidā un pārnest to ar nelielu zudumu no viena atoma uz otru ir svarīgs informācijas apstrādes solis kvantu skaitļošanā. Var iedomāties veselu kontrolētu fotonu masīvu izmantošanu ļoti sarežģītu aprēķinu veikšanai — daudz ātrāk nekā izmantojot mūsdienu datorus. Mākslīgā kristālā iestrādātie atomi arī varēja pārlēkt no vienas vietas uz otru. Šajā gadījumā viņi paši kļūtu par informācijas nesējiem kvantu datorā vai varētu izveidot kvantu sensoru.
Zinātnieki ir atklājuši, ka rubīdija atomi ir ideāli piemēroti to mērķiem. Tomēr bārija, kalcija vai cēzija atomus var uztvert arī mākslīgais lāzera kristāls, jo tiem ir līdzīgs enerģijas līmenis. Lai ierosināto metamateriālu izveidotu reālā eksperimentā, pētnieku grupai būtu jāietver daži atomi mākslīgā kristāla režģī un jāuztur tie tur pat tad, ja tie ir satraukti uz augstākas enerģijas stāvokļiem.
Virtuālā realitāte bez optiskiem defektiem
Metamateriāli varētu atrast noderīgus pielietojumus citā tehnoloģiju attīstības jomā -. Virtuālajai realitātei ir daudz dažādu ierobežojumu. Būtisku lomu spēlē mums zināmās optikas nepilnības. Ideālu optisko sistēmu uzbūvēt praktiski nav iespējams, jo vienmēr ir tā saucamās aberācijas, t.i. viļņu kropļojumi, ko izraisa dažādi faktori. Mēs apzināmies sfēriskās un hromatiskās aberācijas, astigmatismu, komu un daudzas, daudzas citas optikas nelabvēlīgas sekas. Ikvienam, kurš ir izmantojis virtuālās realitātes komplektus, noteikti ir jātiek galā ar šīm parādībām. Nav iespējams izveidot vieglu VR optiku, kas rada augstas kvalitātes attēlus, bez redzamas varavīksnes (hromatiskās aberācijas), nodrošina lielu redzes lauku un ir lēta. Tas ir vienkārši nereāli.
Tāpēc VR aprīkojuma ražotāji Oculus un HTC izmanto tā sauktos Fresnel objektīvus. Tas ļauj iegūt ievērojami mazāku svaru, novērst hromatiskās aberācijas un iegūt salīdzinoši zemu cenu (materiāls šādu lēcu ražošanai ir lēts). Diemžēl refrakcijas gredzeni izraisa w Fresnel lēcas ievērojams kontrasta kritums un centrbēdzes mirdzuma radīšana, kas ir īpaši pamanāma vietās, kur ainai ir augsts kontrasts (melns fons).
Tomēr nesen Hārvardas universitātes zinātniekiem Federiko Kapaso vadībā izdevās attīstīties plānas un plakanas lēcas, izmantojot metamateriālus. Nanostruktūras slānis uz stikla ir plānāks nekā cilvēka mati (0,002 mm). Tam ne tikai nav raksturīgo trūkumu, bet arī tas nodrošina daudz labāku attēla kvalitāti nekā dārgās optiskās sistēmas.
Capasso objektīvs, atšķirībā no tipiskām izliektajām lēcām, kas saliec un izkliedē gaismu, maina gaismas viļņa īpašības, pateicoties mikroskopiskām struktūrām, kas izvirzītas no virsmas un nogulsnētas uz kvarca stikla. Katra šāda dzega lauž gaismu atšķirīgi, mainot tās virzienu. Tāpēc ir svarīgi pareizi izplatīt šādu nanostruktūru (rakstu), kas ir izstrādāta ar datoru un ražota, izmantojot metodes, kas līdzīgas datoru procesoriem. Tas nozīmē, ka šāda veida objektīvus var ražot tajās pašās rūpnīcās, kur līdz šim, izmantojot zināmus ražošanas procesus. Titāna dioksīdu izmanto izsmidzināšanai.
Ir vērts pieminēt vēl vienu inovatīvu "meta-optikas" risinājumu. metamateriālas hiperlēcasuzņemts Amerikas universitātē Bufalo. Pirmās hiperlēcu versijas tika izgatavotas no sudraba un dielektriska materiāla, taču tās darbojās tikai ļoti šaurā viļņu garuma diapazonā. Buffalo zinātnieki izmantoja koncentrisku zelta stieņu izvietojumu termoplastiskā korpusā. Tas darbojas redzamās gaismas viļņu garuma diapazonā. Pētnieki ilustrē izšķirtspējas pieaugumu, ko rada jaunais risinājums, izmantojot medicīnisko endoskopu kā piemēru. Tas parasti atpazīst objektus līdz 10 250 nanometriem, un pēc hiperlēcu uzstādīšanas tas "nokrīt" līdz XNUMX nanometriem. Dizains pārvar difrakcijas problēmu, parādību, kas ievērojami samazina optisko sistēmu izšķirtspēju - viļņu kropļojumu vietā tās tiek pārveidotas viļņos, kurus var ierakstīt nākamajās optiskajās ierīcēs.
Saskaņā ar publikāciju Nature Communications, šo metodi var izmantot daudzās jomās, sākot no medicīnas līdz vienas molekulas novērojumiem. Ir lietderīgi gaidīt betona ierīces, kuru pamatā ir metamateriāli. Varbūt tie ļaus virtuālajai realitātei beidzot gūt patiesus panākumus. Kas attiecas uz "optiskajiem datoriem", tās joprojām ir diezgan attālas un neskaidras perspektīvas. Tomēr neko nevar izslēgt...
