Nowe metamateriały: światło pod kontrolą

Wiele doniesień o „metamateriałach” (w cudzysłowie, bo definicja zaczyna się zacierać) każe myśleć o nich jako o niemalże panaceum na wszystkie problemy, bolączki i ograniczenia, z jakimi boryka się współczesny świat technologii. Najciekawsze koncepcje dotyczą ostatnio komputerów optycznych i wirtualnej rzeczywistości.

w związku hipotetyczne komputery przyszłościjako przykład można przytoczyć badania specjalistów z izraelskiego Uniwersytetu TAU w Tel Awiwie. Projektują wielowarstwowe nanomateriały, które powinny posłużyć do budowy komputerów optycznych. Z kolei naukowcy ze szwajcarskiego Instytutu im. Paula Scherrera zbudowali trójfazową substancję z miliarda miniaturowych magnesów zdolnych do symulować trzy zagregowane stany, analogicznie do wody.

Do czego może służyć? Izraelczycy chcą budować. Szwajcarzy mówią o transmisji i rejestracji danych, a także ogólnie o spintronice.

Trójfazowy metamateriał wykonany z minimagnesów imitujący trzy stany wody.

Fotony na żądanie

Badania naukowców z Lawrence Berkeley National Laboratory na Wydziale Energii mogą doprowadzić do opracowania komputerów optycznych opartych na metamateriałach. Proponują stworzenie czegoś w rodzaju ramy laserowej, która może uchwycić określone pakiety atomów w określonym miejscu, tworząc ściśle zaprojektowaną, kontrolowaną struktura oparta na świetle. Przypomina naturalne kryształy. Z jedną różnicą - jest prawie idealny, w naturalnych materiałach nie obserwuje się żadnych wad.

Naukowcy wierzą, że będą w stanie nie tylko ściśle kontrolować położenie grup atomów w swoim „świetlistym krysztale”, ale także aktywnie wpływać na zachowanie poszczególnych atomów za pomocą innego lasera (zakres bliskiej podczerwieni). Sprawią, że np. na żądanie wyemitują określoną energię – nawet pojedynczy foton, który usunięty z jednego miejsca w krysztale może oddziaływać na atom uwięziony w innym. Będzie to rodzaj prostej wymiany informacji.

Zdolność do szybkiego uwalniania fotonu w kontrolowany sposób i przenoszenia go z niewielkimi stratami z jednego atomu do drugiego jest ważnym etapem przetwarzania informacji w obliczeniach kwantowych. Można sobie wyobrazić wykorzystanie całych macierzy kontrolowanych fotonów do wykonywania bardzo skomplikowanych obliczeń - znacznie szybciej niż przy użyciu nowoczesnych komputerów. Atomy osadzone w sztucznym krysztale mogą również przeskakiwać z miejsca na miejsce. W takim przypadku same stałyby się nośnikami informacji w komputerze kwantowym lub mogłyby stworzyć czujnik kwantowy.

Naukowcy odkryli, że atomy rubidu są idealne do ich celów. Jednak atomy baru, wapnia lub cezu mogą być również wychwytywane przez sztuczny kryształ laserowy, ponieważ mają podobny poziom energii. Aby stworzyć proponowany metamateriał w prawdziwym eksperymencie, zespół badawczy musiałby uchwycić kilka atomów w sztucznej sieci krystalicznej i utrzymać je tam nawet po wzbudzeniu do wyższych stanów energetycznych.

Wirtualna rzeczywistość bez wad optycznych

Metamateriały mogłyby znaleźć przydatne zastosowania w innym rozwijającym się obszarze technologii –. Rzeczywistość wirtualna ma wiele różnych ograniczeń. Niebagatelną rolę odgrywają znane nam niedoskonałości optyki. Zbudowanie idealnego układu optycznego jest praktycznie niemożliwe, ponieważ zawsze występują tzw. aberracje, tj. zniekształcenia fali spowodowane różnymi czynnikami. Jesteśmy świadomi aberracji sferycznych i chromatycznych, astygmatyzmu, komy i wielu, wielu innych niekorzystnych skutków optyki. Każdy, kto korzystał z zestawów wirtualnej rzeczywistości, musiał mieć do czynienia z tymi zjawiskami. Niemożliwe jest zaprojektowanie optyki VR, która jest lekka, zapewnia wysokiej jakości obraz, nie ma widocznej tęczy (aberracji chromatycznych), daje duże pole widzenia i jest tania. To jest po prostu nierealne.

Dlatego producenci sprzętu VR Oculus i HTC używają tak zwanych soczewek Fresnela. Pozwala to uzyskać znacznie mniejszą wagę, wyeliminować aberracje chromatyczne i uzyskać stosunkowo niską cenę (materiał do produkcji takich soczewek jest tani). Niestety pierścienie refrakcyjne powodują w Soczewki Fresnela znaczny spadek kontrastu i powstanie poświaty odśrodkowej, co jest szczególnie zauważalne, gdy scena ma wysoki kontrast (czarne tło).

Jednak ostatnio naukowcy z Uniwersytetu Harvarda, kierowani przez Federico Capasso, zdołali się rozwinąć cienka i płaska soczewka za pomocą metamateriałów. Warstwa nanostruktury na szkle jest cieńsza niż ludzki włos (0,002 mm). Nie dość, że nie ma typowych wad, to jeszcze zapewnia znacznie lepszą jakość obrazu niż drogie układy optyczne.

Soczewka Capasso, w przeciwieństwie do typowych soczewek wypukłych, które załamują i rozpraszają światło, zmienia właściwości fali świetlnej dzięki mikroskopijnym strukturom wystającym z powierzchni, osadzonym na szkle kwarcowym. Każda taka półka inaczej załamuje światło, zmieniając jego kierunek. Dlatego tak ważne jest odpowiednie rozprowadzenie takiej nanostruktury (wzorca), która jest projektowana komputerowo i wytwarzana metodami zbliżonymi do procesorów komputerowych. Oznacza to, że ten typ soczewek może być produkowany w tych samych fabrykach, co poprzednio, przy użyciu znanych procesów produkcyjnych. Do napylania stosuje się dwutlenek tytanu.

Warto wspomnieć o jeszcze jednym nowatorskim rozwiązaniu „meta-optyki”. hiperlenozy metamateriałowezrobione na Uniwersytecie Amerykańskim w Buffalo. Pierwsze wersje hipersoczewek były wykonane ze srebra i materiału dielektrycznego, ale działały tylko w bardzo wąskim zakresie długości fal. Naukowcy z Buffalo zastosowali koncentryczny układ złotych prętów w termoplastycznej obudowie. Działa w zakresie długości fali światła widzialnego. Naukowcy zilustrowali wzrost rozdzielczości wynikający z nowego rozwiązania na przykładzie endoskopu medycznego. Zwykle rozpoznaje obiekty do 10 250 nanometrów, a po zainstalowaniu hipersoczewek „spada” do XNUMX nanometrów. W konstrukcji pokonuje się problem dyfrakcji, zjawiska, które znacząco obniża rozdzielczość układów optycznych - zamiast zniekształceń falowych zamieniane są one na fale, które można rejestrować w kolejnych urządzeniach optycznych.

Według publikacji w Nature Communications metoda ta może znaleźć zastosowanie w wielu dziedzinach, od medycyny po obserwacje pojedynczych cząsteczek. Na konkretne urządzenia oparte na metamateriałach warto poczekać. Być może pozwolą wirtualnej rzeczywistości osiągnąć wreszcie prawdziwy sukces. Jeśli chodzi o „komputery optyczne”, to są to wciąż dość odległe i mgliste perspektywy. Niczego jednak nie można wykluczyć...