„Czapki niewidzialności” są nadal niewidoczne

Najnowszym z serii „peleryny niewidzialności” jest ten urodzony na Uniwersytecie w Rochester (1), który wykorzystuje odpowiedni system optyczny. Sceptycy nazywają to jednak swego rodzaju iluzjonistycznym trikiem lub efektem specjalnym, w którym sprytny system soczewek załamuje światło i zwodzi wzrok obserwatora.

Za tym wszystkim kryje się dość zaawansowana matematyka – naukowcy muszą ją wykorzystać, aby znaleźć sposób ustawienia dwóch soczewek, aby światło było załamywane w taki sposób, aby mogli ukryć obiekt bezpośrednio za nimi. To rozwiązanie sprawdza się nie tylko podczas patrzenia bezpośrednio w obiektywy - wystarczy kąt 15 stopni lub inny.

1. „Czapka-niewidka” z University of Rochester.

Może być stosowany w samochodach, aby wyeliminować martwe punkty w lusterkach lub na salach operacyjnych, umożliwiając chirurgom widzenie przez ręce. To kolejna z długiej serii rewelacji na temat niewidzialna technologiaktóre przyszły do ​​nas w ostatnich latach.

W 2012 roku słyszeliśmy już o „Cap of Invisibility” z amerykańskiego Duke University. Tylko najbardziej dociekliwi czytali wtedy, że chodzi o niewidzialność małego cylindra w malutkim fragmencie widma mikrofalowego. Rok wcześniej urzędnicy Duke'a donieśli o technologii ukrycia sonaru, która w niektórych kręgach może wydawać się obiecująca.

Niestety tak było niewidzialność tylko z pewnego punktu widzenia i w wąskim zakresie, przez co technologia była mało przydatna. W 2013 roku niestrudzeni inżynierowie z Duke zaproponowali wydrukowane w 3D urządzenie, które zakamuflowało umieszczony wewnątrz obiekt za pomocą mikrootworów w konstrukcji (2). Jednak znowu stało się to w ograniczonym zakresie fal i tylko z pewnego punktu widzenia.

Na zdjęciach opublikowanych w Internecie obiecująco wyglądała peleryna kanadyjskiej firmy Hyperstealth, która w 2012 roku była reklamowana pod intrygującą nazwą Quantum Stealth (3). Niestety, działających prototypów nigdy nie zademonstrowano ani nie wyjaśniono, jak to działa. Firma jako powód podaje kwestie bezpieczeństwa i w tajemniczy sposób informuje, że przygotowuje tajne wersje produktu dla wojska.

Monitor przedni, kamera tylna

Pierwszy nowoczesnyczapka niewidka» Wprowadzony dziesięć lat temu przez japońskiego inżyniera prof. Susumu Tachi z Uniwersytetu Tokijskiego. Użył kamery umieszczonej za mężczyzną w płaszczu, który był jednocześnie monitorem. Wyświetlany był na nim obraz z tylnej kamery. Zamaskowany mężczyzna był „niewidzialny”. Podobną sztuczkę stosuje urządzenie do maskowania pojazdów Adaptiv, wprowadzone w poprzedniej dekadzie przez BAE Systems (4).

Wyświetla obraz w podczerwieni „od tyłu” na pancerzu czołgu. Takiej maszyny po prostu nie widać w przyrządach celowniczych. Idea maskowania przedmiotów narodziła się w 2006 roku. John Pendry z Imperial College London, David Schurig i David Smith z Duke University opublikowali w czasopiśmie Science teorię „optyki transformacyjnej” i przedstawili jej działanie w przypadku mikrofal (dłuższe długości fal niż światło widzialne).

2. "Czapka-niewidka" wydrukowana w trzech wymiarach.

Za pomocą odpowiednich metamateriałów można zagiąć falę elektromagnetyczną w taki sposób, aby ominąć otaczający obiekt i powrócić na swoją obecną ścieżkę. Parametrem charakteryzującym ogólną reakcję optyczną ośrodka jest współczynnik załamania światła, który określa ile razy wolniej niż w próżni światło porusza się w tym ośrodku. Obliczamy go jako pierwiastek iloczynu względnej przepuszczalności elektrycznej i magnetycznej.

względna przepuszczalność elektryczna; określa, ile razy siła oddziaływania elektrycznego w danej substancji jest mniejsza niż siła oddziaływania w próżni. Dlatego jest miarą tego, jak silnie ładunki elektryczne w substancji reagują na zewnętrzne pole elektryczne. Większość substancji ma dodatnią przenikalność elektryczną, co oznacza, że ​​pole zmienione przez substancję nadal ma takie samo znaczenie jak pole zewnętrzne.

Względna przenikalność magnetyczna m określa, jak zmienia się pole magnetyczne w przestrzeni wypełnionej danym materiałem, w porównaniu z polem magnetycznym, które istniałoby w próżni z tym samym zewnętrznym źródłem pola magnetycznego. Dla wszystkich naturalnie występujących substancji względna przepuszczalność magnetyczna jest dodatnia. W przypadku mediów przezroczystych, takich jak szkło lub woda, wszystkie trzy wartości są dodatnie.

Następnie światło przechodząc z próżni lub powietrza (parametry powietrza tylko nieznacznie różnią się od próżni) do ośrodka załamuje się zgodnie z prawem załamania i stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania wynosi równy współczynnikowi załamania dla tego ośrodka. Wartość jest mniejsza od zera; a m oznacza, że ​​elektrony wewnątrz ośrodka poruszają się w kierunku przeciwnym do siły wytwarzanej przez pole elektryczne lub magnetyczne.

Tak właśnie dzieje się w metalach, w których wolny gaz elektronowy podlega własnym oscylacjom. Jeżeli częstotliwość fali elektromagnetycznej nie przekracza częstotliwości tych naturalnych oscylacji elektronów, wówczas oscylacje te tak skutecznie ekranują pole elektryczne fali, że nie pozwalają jej wniknąć głęboko w metal, a nawet stworzyć pole skierowane przeciwnie do pola zewnętrznego.

W rezultacie przenikalność takiego materiału jest ujemna. Nie mogąc wniknąć głęboko w metal, promieniowanie elektromagnetyczne odbija się od powierzchni metalu, a sam metal nabiera charakterystycznego połysku. Co by było, gdyby oba rodzaje przenikalności były ujemne? To pytanie zadał w 1967 roku rosyjski fizyk Wiktor Weselago. Okazuje się, że współczynnik załamania takiego ośrodka jest ujemny, a światło załamuje się w zupełnie inny sposób niż wynika to ze zwykłego prawa załamania.

5. Refrakcja ujemna na powierzchni metamateriału - wizualizacja

Wtedy energia fali elektromagnetycznej jest przekazywana do przodu, ale maksima fali elektromagnetycznej przesuwają się w kierunku przeciwnym do kształtu impulsu i przenoszonej energii. Takie materiały nie występują w naturze (nie ma substancji o ujemnej przenikalności magnetycznej). Dopiero we wspomnianej wyżej publikacji z 2006 roku oraz w wielu innych publikacjach powstałych w kolejnych latach możliwe było opisanie, a tym samym zbudowanie sztucznych struktur o ujemnym współczynniku załamania (5).

Nazywane są metamateriałami. Grecki przedrostek „meta” oznacza „po”, czyli są to konstrukcje wykonane z naturalnych materiałów. Metamateriały uzyskują właściwości, których potrzebują, budując maleńkie obwody elektryczne, które naśladują właściwości magnetyczne lub elektryczne materiału. Wiele metali ma ujemną przepuszczalność elektryczną, więc wystarczy zostawić miejsce na pierwiastki, które dają ujemną reakcję magnetyczną.

Zamiast jednorodnego metalu, do płyty z materiału izolacyjnego przymocowanych jest wiele cienkich metalowych drutów ułożonych w sześcienną kratkę. Zmieniając średnicę drutów i odległość między nimi, można dostosować wartości częstotliwości, przy których konstrukcja będzie miała ujemną przepuszczalność elektryczną. Aby w najprostszym przypadku uzyskać ujemną przepuszczalność magnetyczną, konstrukcja składa się z dwóch pękniętych pierścieni wykonanych z dobrego przewodnika (na przykład złota, srebra lub miedzi) i oddzielonych warstwą innego materiału.

Taki układ nazywa się rezonatorem z rozszczepionym pierścieniem - z angielskiego skrótem SRR. Rezonator z pierścieniem dzielonym (6). Ze względu na przerwy w pierścieniach i odległość między nimi ma pewną pojemność, podobnie jak kondensator, a ponieważ pierścienie są wykonane z materiału przewodzącego, ma również pewną indukcyjność, tj. umiejętność generowania prądów.

Zmiany w zewnętrznym polu magnetycznym od fali elektromagnetycznej powodują przepływ prądu w pierścieniach, który wytwarza pole magnetyczne. Okazuje się, że przy odpowiedniej konstrukcji pole magnetyczne wytwarzane przez system jest skierowane przeciwnie do pola zewnętrznego. Powoduje to ujemną przenikalność magnetyczną materiału zawierającego takie pierwiastki. Ustalając parametry układu metamateriałowego można uzyskać negatywną odpowiedź magnetyczną w dość szerokim zakresie częstotliwości fal.

meta - budowanie

Marzeniem projektantów jest zbudowanie systemu, w którym fale idealnie opłynęłyby obiekt (7). W 2008 roku naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley po raz pierwszy w historii stworzyli trójwymiarowe materiały o ujemnym współczynniku załamania światła widzialnego i bliskiej podczerwieni, zaginające światło w kierunku przeciwnym do jego naturalnego kierunku. Stworzyli nowy metamateriał, łącząc srebro z fluorkiem magnezu.

Następnie jest cięty na matrycę składającą się z miniaturowych igieł. Zjawisko ujemnej refrakcji zaobserwowano przy długości fali 1500 nm (bliska podczerwień). Na początku 2010 r. utworzono Tolga Ergin z Karlsruhe Institute of Technology wraz z kolegami z Imperial College London niewidzialny kurtyna świetlna. Naukowcy wykorzystali materiały dostępne na rynku.

Użyli kryształów fotonicznych nałożonych na powierzchnię, aby pokryć mikroskopijny występ na złotej płytce. Tak więc metamateriał powstał ze specjalnych soczewek. Soczewki naprzeciw garbu na płycie są umieszczone w taki sposób, że odchylając część fal świetlnych eliminują rozpraszanie światła na wypukłości. Obserwując płytkę pod mikroskopem, używając światła o długości fali zbliżonej do światła widzialnego, naukowcy zobaczyli płaską płytkę.

Później badaczom z Duke University i Imperial College London udało się uzyskać ujemne odbicie promieniowania mikrofalowego. Aby uzyskać ten efekt, poszczególne elementy struktury metamateriału muszą być mniejsze niż długość fali światła. Jest to więc wyzwanie techniczne, które wymaga wyprodukowania bardzo małych struktur metamateriałów, które pasują do długości fali światła, które mają załamywać.

Światło widzialne (od fioletu do czerwieni) ma długość fali od 380 do 780 nanometrów (nanometr to jedna miliardowa metra). Z pomocą przybyli nanotechnologowie ze Szkockiego Uniwersytetu St. Andrews. Otrzymali pojedynczą warstwę metamateriału o niezwykle gęstej siatce. Strony New Journal of Physics opisują metaflex zdolny do zginania fal o długości około 620 nanometrów (światło pomarańczowo-czerwone).

W 2012 roku grupa amerykańskich naukowców z University of Texas w Austin wymyśliła zupełnie inną sztuczkę wykorzystującą mikrofale. Cylinder o średnicy 18 cm pokryto materiałem plazmy o ujemnej impedancji, co umożliwia manipulację właściwościami. Jeśli ma dokładnie przeciwne właściwości optyczne ukrytego obiektu, tworzy rodzaj „negatywu”.

W ten sposób dwie fale nakładają się na siebie i obiekt staje się niewidoczny. W efekcie materiał może zagiąć kilka różnych zakresów częstotliwości fali tak, że opływają one obiekt, zbiegając się po jego drugiej stronie, co może być niezauważalne dla zewnętrznego obserwatora. Koncepcje teoretyczne mnożą się.

Kilkanaście miesięcy temu Advanced Optical Materials opublikował artykuł o prawdopodobnie przełomowym badaniu przeprowadzonym przez naukowców z University of Central Florida. Kto wie, czy nie udało im się pokonać istniejących ograniczeń dotyczących „niewidzialne kapelusze» Zbudowane z metamateriałów. Według opublikowanych przez nich informacji możliwe jest zniknięcie obiektu w zakresie światła widzialnego.

7. Teoretyczne sposoby zginania światła na niewidzialnym obiekcie

Debashis Chanda i jego zespół opisują zastosowanie metamateriału o trójwymiarowej strukturze. Udało się to uzyskać dzięki tzw. druk nanotransferowy (NTP), który produkuje taśmy metalowo-dielektryczne. Współczynnik załamania światła można zmienić metodami nanoinżynieryjnymi. Droga propagacji światła musi być kontrolowana w trójwymiarowej strukturze powierzchni materiału metodą rezonansu elektromagnetycznego.

Naukowcy są bardzo ostrożni w swoich wnioskach, ale z opisu ich technologii jasno wynika, że ​​powłoki z takiego materiału są w stanie w dużym stopniu odchylać fale elektromagnetyczne. Ponadto sposób pozyskiwania nowego materiału pozwala na produkcję dużych obszarów, co skłoniło niektórych do marzeń o myśliwcach pokrytych takim kamuflażem, który zapewniłby im niewidzialność kompletne, od radaru do światła dziennego.

Urządzenia maskujące wykorzystujące metamateriały lub techniki optyczne nie powodują faktycznego znikania obiektów, a jedynie ich niewidoczność dla narzędzi detekcji, a być może wkrótce dla oka. Jednak są już bardziej radykalne pomysły. Jeng Yi Lee i Ray-Kuang Lee z National Taiwan Tsing Hua University zaproponowali teoretyczną koncepcję kwantowej „czapki niewidzialności”, która może usuwać obiekty nie tylko z pola widzenia, ale także z rzeczywistości jako całości.

Będzie to działać podobnie do tego, co omówiono powyżej, ale zamiast równań Maxwella zostanie użyte równanie Schrödingera. Chodzi o to, aby rozciągnąć pole prawdopodobieństwa obiektu tak, aby było równe zero. Teoretycznie jest to możliwe w mikroskali. Długo jednak trzeba będzie czekać na technologiczne możliwości wykonania takiej osłony. Jak każdy "czapka niewidka„Co można powiedzieć, że naprawdę coś ukrywała przed naszym wzrokiem.