"Neredzamības vāciņi" joprojām ir neredzami

Jaunākais "neredzamības apmetņu" sērijā ir Ročesteras Universitātē dzimušais (1), kurā tiek izmantota atbilstoša optiskā sistēma. Taču skeptiķi to dēvē par kaut kādu iluzionistisku triku vai specefektu, kurā gudra lēcu sistēma lauž gaismu un maldina vērotāja redzi.

Aiz tā visa slēpjas diezgan progresīva matemātika — zinātniekiem tā ir jāizmanto, lai atrastu, kā uzstādīt abas lēcas tā, lai gaisma tiktu lauzta tā, lai varētu paslēpt objektu tieši aiz tiem. Šis risinājums darbojas ne tikai skatoties tieši uz lēcām – pietiek ar 15 grādu vai citu leņķi.

1. "Neredzamības vāciņš" no Ročesteras universitātes.

To var izmantot automašīnās, lai novērstu aklās zonas spoguļos vai operāciju zālēs, ļaujot ķirurgiem redzēt caur rokām. Šī ir vēl viena garā atklāsmju sērijā par neredzamā tehnoloģijakas ir nonākuši pie mums pēdējos gados.

2012. gadā mēs jau dzirdējām par "Neredzamības vāciņu" no Amerikas Djūka universitātes. Tikai ziņkārīgākie toreiz lasīja, ka runa ir par maza cilindra neredzamību niecīgā mikroviļņu spektra fragmentā. Gadu iepriekš Duke amatpersonas ziņoja par hidrolokatoru slepeno tehnoloģiju, kas dažās aprindās var šķist daudzsološa.

Diemžēl tā bija neredzamība tikai no noteikta viedokļa un šaurā tvērumā, kas padarīja tehnoloģiju maz izmantojamu. 2013. gadā Duke nenogurstošie inženieri ierosināja 3D drukātu ierīci, kas maskēja iekšpusē ievietotu objektu ar mikrocaurumiem konstrukcijā (2). Tomēr atkal tas notika ierobežotā viļņu diapazonā un tikai no noteikta skatu punkta.

Internetā publicētās fotogrāfijas izskatījās daudzsološas zemesraga Kanādas uzņēmums Hyperstealth, kas 2012. gadā tika reklamēts ar intriģējošu nosaukumu Quantum Stealth (3). Diemžēl strādājošie prototipi nekad nav demonstrēti, kā arī nav izskaidrots, kā tas darbojas. Uzņēmums kā iemeslu min drošības problēmas un slepeni ziņo, ka gatavo izstrādājuma slepenās versijas militārajām vajadzībām.

Priekšējais monitors, aizmugurējā kamera

Pirmā modernāneredzamības vāciņš» Pirms desmit gadiem to ieviesa japāņu inženieris prof. Susumu Tachi no Tokijas universitātes. Viņš izmantoja kameru, kas novietota aiz vīrieša, kurš valkāja mēteli, kas vienlaikus bija arī monitors. Uz tās tika projicēts attēls no aizmugurējās kameras. Apmetnē tērptais vīrietis bija "neredzams". Līdzīgu triku izmanto Adaptiv transportlīdzekļu maskēšanas ierīce, ko iepriekšējā desmitgadē ieviesa BAE Systems (4).

Tas parāda infrasarkano attēlu "no aizmugures" uz tvertnes bruņām. Tāda mašīna vienkārši nav redzama tēmēšanas ierīcēs. Ideja par priekšmetu maskēšanu radās 2006. gadā. Džons Pendrijs no Londonas Imperiālās koledžas, Deivids Šurigs un Deivids Smits no Djūka universitātes publicēja "transformācijas optikas" teoriju žurnālā Science un iepazīstināja ar to, kā tā darbojas mikroviļņu gadījumā (garāki viļņu garumi nekā redzamā gaisma).

2. "Neredzamības vāciņš", kas iespiests trīs dimensijās.

Ar atbilstošu metamateriālu palīdzību elektromagnētisko vilni var saliekt tā, lai tas apietu apkārtējo objektu un atgrieztos tā pašreizējā ceļā. Vides vispārējo optisko reakciju raksturojošais parametrs ir laušanas koeficients, kas nosaka, cik reižu lēnāk nekā vakuumā šajā vidē kustas gaisma. Mēs to aprēķinām kā relatīvās elektriskās un magnētiskās caurlaidības reizinājuma sakni.

relatīvā elektriskā caurlaidība; nosaka, cik reižu elektriskās mijiedarbības spēks noteiktā vielā ir mazāks par mijiedarbības spēku vakuumā. Tāpēc tas ir mērs, cik spēcīgi vielā esošie elektriskie lādiņi reaģē uz ārējo elektrisko lauku. Lielākajai daļai vielu ir pozitīva caurlaidība, kas nozīmē, ka vielas mainītajam laukam joprojām ir tāda pati nozīme kā ārējam laukam.

Relatīvā magnētiskā caurlaidība m nosaka, kā mainās magnētiskais lauks telpā, kas piepildīta ar noteiktu materiālu, salīdzinot ar magnētisko lauku, kas pastāvētu vakuumā ar tādu pašu ārējo magnētiskā lauka avotu. Visām dabā sastopamajām vielām relatīvā magnētiskā caurlaidība ir pozitīva. Caurspīdīgajiem materiāliem, piemēram, stiklam vai ūdenim, visi trīs daudzumi ir pozitīvi.

Tad gaisma, kas pāriet no vakuuma vai gaisa (gaisa parametri tikai nedaudz atšķiras no vakuuma) vidē, tiek lauzta saskaņā ar laušanas likumu un tiek iegūta krišanas leņķa sinusa attiecība pret refrakcijas leņķa sinusu. vienāds ar šīs vides refrakcijas indeksu. Vērtība ir mazāka par nulli; un m nozīmē, ka vidē esošie elektroni pārvietojas pretējā virzienā elektriskā vai magnētiskā lauka radītajam spēkam.

Tieši tas notiek metālos, kuros brīvā elektronu gāze iziet savas svārstības. Ja elektromagnētiskā viļņa frekvence nepārsniedz šo elektronu dabisko svārstību frekvenci, tad šīs svārstības ekrānā viļņa elektrisko lauku tik efektīvi, ka neļauj tam iekļūt dziļi metālā un pat radīt pretēji vērstu lauku. uz ārējo lauku.

Rezultātā šāda materiāla caurlaidība ir negatīva. Nespējot dziļi iekļūt metālā, elektromagnētiskais starojums tiek atstarots no metāla virsmas, un pats metāls iegūst raksturīgu spīdumu. Ko darīt, ja abi caurlaidības veidi būtu negatīvi? Šo jautājumu 1967. gadā uzdeva krievu fiziķis Viktors Veselago. Izrādās, ka šādas vides laušanas koeficients ir negatīvs un gaisma laužas pavisam savādāk, nekā izriet no ierastā laušanas likuma.

5. Negatīvā refrakcija uz metamateriāla virsmas - vizualizācija

Tad elektromagnētiskā viļņa enerģija tiek pārnesta uz priekšu, bet elektromagnētiskā viļņa maksimumi virzās pretējā virzienā impulsa formai un pārnestajai enerģijai. Dabā šādi materiāli nepastāv (nav vielu ar negatīvu magnētisko caurlaidību). Tikai iepriekš minētajā 2006. gada publikācijā un daudzās citās turpmākajos gados tapušajās publikācijās bija iespējams aprakstīt un līdz ar to arī uzbūvēt mākslīgas struktūras ar negatīvu refrakcijas koeficientu (5).

Tos sauc par metamateriāliem. Grieķu prefikss "meta" nozīmē "pēc", tas ir, tās ir struktūras, kas izgatavotas no dabīgiem materiāliem. Metamateriāli iegūst vajadzīgās īpašības, veidojot nelielas elektriskās ķēdes, kas atdarina materiāla magnētiskās vai elektriskās īpašības. Daudziem metāliem ir negatīva elektriskā caurlaidība, tāpēc pietiek atstāt vietu elementiem, kas rada negatīvu magnētisko reakciju.

Viendabīga metāla vietā uz izolācijas materiāla plāksnes ir piestiprināts daudz tievu metāla stiepļu, kas sakārtotas kubiskā režģa veidā. Mainot vadu diametru un attālumu starp tiem, ir iespējams pielāgot frekvences vērtības, pie kurām konstrukcijai būs negatīva elektriskā caurlaidība. Lai vienkāršākajā gadījumā iegūtu negatīvu magnētisko caurlaidību, dizains sastāv no diviem salauztiem gredzeniem, kas izgatavoti no laba vadītāja (piemēram, zelta, sudraba vai vara) un atdalīti ar cita materiāla slāni.

Šādu sistēmu sauc par split ring resonator - saīsināti kā SRR, no angļu valodas. Dalīta gredzena rezonators (6). Sakarā ar spraugām gredzenos un attālumu starp tiem, tam ir noteikta kapacitāte, tāpat kā kondensatoram, un, tā kā gredzeni ir izgatavoti no vadoša materiāla, tam ir arī noteikta induktivitāte, t.i. spēja radīt strāvas.

Izmaiņas ārējā magnētiskajā laukā no elektromagnētiskā viļņa izraisa strāvas plūsmu gredzenos, un šī strāva rada magnētisko lauku. Izrādās, ka ar atbilstošu dizainu sistēmas radītais magnētiskais lauks ir vērsts pretēji ārējam laukam. Tā rezultātā materiālam, kas satur šādus elementus, rodas negatīva magnētiskā caurlaidība. Iestatot metamateriālu sistēmas parametrus, var iegūt negatīvu magnētisko reakciju diezgan plašā viļņu frekvenču diapazonā.

meta - ēka

Projektētāju sapnis ir izveidot sistēmu, kurā viļņi ideālā gadījumā plūstu ap objektu (7). 2008. gadā Kalifornijas Universitātes Bērklijā zinātnieki pirmo reizi vēsturē radīja trīsdimensiju materiālus, kuriem ir negatīvs refrakcijas koeficients redzamajai un tuvu infrasarkanajai gaismai, liecot gaismu virzienā, kas ir pretējs tās dabiskajam virzienam. Viņi radīja jaunu metamateriālu, apvienojot sudrabu ar magnija fluorīdu.

Pēc tam to sagriež matricā, kas sastāv no miniatūrām adatām. Negatīvās refrakcijas parādība ir novērota pie viļņu garuma 1500 nm (tuvajā infrasarkanajā starā). 2010. gada sākumā Tolga Ergina no Karlsrūes Tehnoloģiju institūta un kolēģi no Londonas Imperiālās koledžas izveidoja neredzams gaismas aizkars. Pētnieki izmantoja tirgū pieejamos materiālus.

Viņi izmantoja fotoniskus kristālus, kas uzlikti uz virsmas, lai pārklātu mikroskopisku izvirzījumu uz zelta plāksnes. Tātad metamateriāls tika izveidots no īpašām lēcām. Lēcas, kas atrodas pretī plāksnītes kuplim, atrodas tā, ka, novirzot daļu gaismas viļņu, tās novērš gaismas izkliedi uz izliekuma. Vērojot plāksni mikroskopā, izmantojot gaismu, kuras viļņa garums ir tuvu redzamās gaismas viļņa garumam, zinātnieki ieraudzīja plakanu plāksni.

Vēlāk pētnieki no Djūka universitātes un Londonas Imperiālās koledžas spēja iegūt negatīvu mikroviļņu starojuma atspulgu. Lai iegūtu šo efektu, atsevišķiem metamateriāla struktūras elementiem jābūt mazākiem par gaismas viļņa garumu. Tātad tas ir tehnisks izaicinājums, kas prasa ļoti mazu metamateriālu struktūru ražošanu, kas atbilst gaismas viļņa garumam, kuram tām vajadzētu lauzt.

Redzamās gaismas (no violetas līdz sarkanai) viļņa garums ir no 380 līdz 780 nanometriem (nanometrs ir viena miljardā daļa no metra). Palīgā nāca nanotehnologi no Skotijas Sentendrjūsas universitātes. Viņi ieguva vienu ļoti blīvu metamateriāla slāni. Jaunā fizikas žurnāla lappusēs ir aprakstīts metaflexs, kas spēj saliekt aptuveni 620 nanometru viļņu garumu (oranži sarkana gaisma).

2012. gadā amerikāņu pētnieku grupa Teksasas Universitātē Ostinā nāca klajā ar pavisam citu triku, izmantojot mikroviļņus. Cilindrs ar diametru 18 cm tika pārklāts ar negatīvas pretestības plazmas materiālu, kas ļauj manipulēt ar īpašībām. Ja tam ir tieši pretējas slēptā objekta optiskās īpašības, tas rada sava veida "negatīvu".

Tādējādi abi viļņi pārklājas un objekts kļūst neredzams. Rezultātā materiāls var saliekt vairākus dažādus viļņa frekvenču diapazonus tā, lai tie plūst ap objektu, saplūstot tā otrā pusē, kas ārējam novērotājam var nebūt pamanāms. Teorētiskās koncepcijas vairojas.

Apmēram pirms desmit mēnešiem Advanced Optical Materials publicēja rakstu par, iespējams, revolucionāru Centrālās Floridas universitātes zinātnieku pētījumu. Kas zina, vai viņiem nav izdevies pārvarēt esošos ierobežojumusneredzamas cepures» Izgatavots no metamateriāliem. Pēc viņu publicētās informācijas, objekta pazušana redzamās gaismas diapazonā ir iespējama.

7. Teorētiskie gaismas locīšanas veidi uz neredzamu objektu

Debashis Chanda un viņa komanda apraksta metamateriāla izmantošanu ar trīsdimensiju struktūru. To bija iespējams iegūt, pateicoties t.s. nanotransfer druka (NTP), kas ražo metāla dielektriskās lentes. Refrakcijas indeksu var mainīt ar nanoinženierijas metodēm. Gaismas izplatīšanās ceļš ir jākontrolē materiāla trīsdimensiju virsmas struktūrā, izmantojot elektromagnētiskās rezonanses metodi.

Zinātnieki savos secinājumos ir ļoti piesardzīgi, taču no viņu tehnoloģiju apraksta ir pilnīgi skaidrs, ka šāda materiāla pārklājumi lielā mērā spēj novirzīt elektromagnētiskos viļņus. Turklāt jaunā materiāla iegūšanas veids ļauj ražot lielas platības, kas licis dažiem sapņot par kaujiniekiem, kas pārklāti ar tādu maskēšanos, kas nodrošinātu viņiem neredzamība pabeigts, no radara līdz dienasgaismai.

Slēpšanas ierīces, kurās izmanto metamateriālus vai optiskās metodes, neizraisa objektu faktisku pazušanu, bet tikai to neredzamību noteikšanas rīkiem un drīz, iespējams, arī acij. Tomēr jau ir radikālākas idejas. Jeng Yi Lee un Ray-Kuang Lee no Taivānas Nacionālās Tsing Hua universitātes ierosināja teorētisku koncepciju par kvantu "neredzamības apmetni", kas spēj noņemt objektus ne tikai no redzes lauka, bet arī no realitātes kopumā.

Tas darbosies līdzīgi tam, kas tika apspriests iepriekš, taču Maksvela vienādojumu vietā tiks izmantots Šrēdingera vienādojums. Mērķis ir izstiept objekta varbūtības lauku tā, lai tas būtu vienāds ar nulli. Teorētiski tas ir iespējams mikromērogā. Taču būs nepieciešams ilgs laiks, lai gaidītu šāda seguma izgatavošanas tehnoloģiskās iespējas. Tāpat kā jebkurš"neredzamības vāciņš"Var teikt, ka viņa patiešām kaut ko slēpa no mūsu redzesloka.