Nuwe metamateriale: lig onder beheer
Baie berigte oor "metamateriale" (in aanhalingstekens, want die definisie begin vervaag) laat ons daaraan dink as amper 'n wondermiddel vir al die probleme, pyne en beperkings wat die moderne wêreld van tegnologie in die gesig staar. Die interessantste konsepte die afgelope tyd het betrekking op optiese rekenaars en virtuele realiteit.
in 'n verhouding hipotetiese rekenaars van die toekomsas voorbeeld kan 'n mens die navorsing van spesialiste van die Israeliese TLU Universiteit in Tel Aviv noem. Hulle ontwerp meerlaagse nanomateriale wat gebruik moet word om optiese rekenaars te skep. Op hul beurt het navorsers van die Switserse Paul Scherrer-instituut 'n driefase-stof gebou uit 'n miljard miniatuurmagnete wat in staat is om simuleer drie totale toestande, na analogie van water.
Waarvoor kan dit gebruik word? Die Israeli's wil bou. Die Switsers praat oor data-oordrag en -opname, sowel as spintronika in die algemeen.
'n Driefase-metamateriaal gemaak van minimagnete wat die drie toestande van water naboots.
Fotone op aanvraag
Navorsing deur wetenskaplikes by die Lawrence Berkeley Nasionale Laboratorium by die Departement van Energie kan lei tot die ontwikkeling van optiese rekenaars gebaseer op metamateriale. Hulle stel voor om 'n soort laserraamwerk te skep wat sekere pakkette atome op 'n sekere plek kan vasvang, wat 'n streng ontwerpte, beheerde liggebaseerde struktuur. Dit lyk soos natuurlike kristalle. Met een verskil - dit is amper perfek, geen defekte word in natuurlike materiale waargeneem nie.
Wetenskaplikes glo dat hulle nie net in staat sal wees om die posisie van groepe atome in hul "ligte kristal" noukeurig te beheer nie, maar ook aktief die gedrag van individuele atome sal kan beïnvloed deur 'n ander laser (naby-infrarooi-reeks) te gebruik. Hulle sal hulle byvoorbeeld op aanvraag 'n sekere energie laat uitstraal - selfs 'n enkele foton, wat, wanneer dit van een plek in die kristal verwyder word, kan inwerk op 'n atoom wat in 'n ander vasgevang is. Dit sal 'n soort eenvoudige uitruil van inligting wees.
Die vermoë om 'n foton vinnig op 'n beheerde wyse vry te stel en dit met min verlies van een atoom na 'n ander oor te dra, is 'n belangrike inligtingsverwerkingstap vir kwantumrekenaars. ’n Mens kan jou voorstel om hele reekse beheerde fotone te gebruik om baie komplekse berekeninge uit te voer – baie vinniger as om moderne rekenaars te gebruik. Atome wat in 'n kunsmatige kristal ingebed is, kan ook van een plek na 'n ander spring. In hierdie geval sou hulle self inligtingsdraers in 'n kwantumrekenaar word of kan hulle 'n kwantumsensor skep.
Wetenskaplikes het gevind dat rubidiumatome ideaal is vir hul doeleindes. Barium-, kalsium- of sesiumatome kan egter ook deur 'n kunsmatige laserkristal vasgevang word aangesien hulle soortgelyke energievlakke het. Om die voorgestelde metamateriaal in 'n werklike eksperiment te maak, sal die navorsingspan 'n paar atome in 'n kunsmatige kristalrooster moet vasvang en dit daar hou, selfs wanneer dit opgewonde is na hoër energietoestande.
Virtuele realiteit sonder optiese defekte
Metamateriale kan nuttige toepassings vind in 'n ander ontwikkelende gebied van tegnologie -. Virtuele werklikheid het baie verskillende beperkings. Die onvolmaakthede van optika wat aan ons bekend is, speel 'n belangrike rol. Dit is feitlik onmoontlik om 'n perfekte optiese stelsel te bou, want daar is altyd sogenaamde aberrasies, m.a.w. golfvervorming wat deur verskeie faktore veroorsaak word. Ons is bewus van sferiese en chromatiese afwykings, astigmatisme, koma en baie, baie ander nadelige effekte van optika. Enigeen wat virtuele realiteit-stelle gebruik het, moes hierdie verskynsels hanteer het. Dit is onmoontlik om VR-optika te ontwerp wat liggewig is, beelde van hoë gehalte produseer, geen sigbare reënboog het nie (chromatiese aberrasies), 'n groot gesigsveld gee en goedkoop is. Dit is net onwerklik.
Dit is hoekom VR-toerustingvervaardigers Oculus en HTC gebruik wat Fresnel-lense genoem word. Dit laat jou toe om aansienlik minder gewig te kry, chromatiese aberrasies uit te skakel en 'n relatief lae prys te kry (die materiaal vir die vervaardiging van sulke lense is goedkoop). Ongelukkig veroorsaak refraktiewe ringe w Fresnel lense 'n aansienlike daling in kontras en die skepping van 'n sentrifugale gloed, wat veral opvallend is waar die toneel 'n hoë kontras (swart agtergrond) het.
Wetenskaplikes van die Harvard Universiteit, gelei deur Federico Capasso, het egter onlangs daarin geslaag om te ontwikkel dun en plat lens met behulp van metamateriale. Die nanostruktuurlaag op glas is dunner as 'n menslike haar (0,002 mm). Dit het nie net nie die tipiese nadele nie, maar dit bied ook baie beter beeldkwaliteit as duur optiese stelsels.
Die Capasso-lens, anders as tipiese konvekse lense wat lig buig en verstrooi, verander die eienskappe van die liggolf as gevolg van mikroskopiese strukture wat uit die oppervlak uitsteek, wat op kwartsglas neergelê word. Elke so 'n lysie breek lig anders en verander sy rigting. Daarom is dit belangrik om so 'n nanostruktuur (patroon) wat rekenaarontwerp en vervaardig is, behoorlik te versprei met metodes soortgelyk aan rekenaarverwerkers. Dit beteken dat hierdie tipe lens in dieselfde fabrieke as voorheen vervaardig kan word, met behulp van bekende vervaardigingsprosesse. Titaandioksied word vir sputtering gebruik.
Dit is die moeite werd om nog 'n innoverende oplossing van "meta-optika" te noem. metamateriaal hiperlenseaan die Amerikaanse Universiteit in Buffalo geneem. Die eerste weergawes van hiperlense was van silwer en 'n diëlektriese materiaal gemaak, maar hulle het net in 'n baie nou reeks golflengtes gewerk. Die Buffalo-wetenskaplikes het 'n konsentriese rangskikking van goue stawe in 'n termoplastiese omhulsel gebruik. Dit werk in die golflengtereeks van sigbare lig. Die navorsers illustreer die toename in resolusie as gevolg van die nuwe oplossing deur 'n mediese endoskoop as voorbeeld te gebruik. Dit herken gewoonlik voorwerpe tot 10 250 nanometer, en nadat hiperlense geïnstalleer is, "val" dit tot XNUMX nanometer. Die ontwerp oorkom die probleem van diffraksie, 'n verskynsel wat die resolusie van optiese stelsels aansienlik verminder - in plaas van golfvervorming, word dit omgeskakel in golwe wat in daaropvolgende optiese toestelle opgeneem kan word.
Volgens 'n publikasie in Nature Communications kan hierdie metode op baie gebiede gebruik word, van medisyne tot enkelmolekule-waarnemings. Dit is gepas om te wag vir konkrete toestelle gebaseer op metamateriale. Miskien sal hulle virtuele realiteit toelaat om uiteindelik werklike sukses te behaal. Wat "optiese rekenaars" betref, is dit nog taamlik verre en vae vooruitsigte. Niks kan egter uitgesluit word nie...
