"Onsigbaarheid Caps" is steeds onsigbaar

Die jongste in 'n reeks "mantels van onsigbaarheid" is die een wat aan die Universiteit van Rochester (1) gebore is, wat die toepaslike optiese stelsel gebruik. Skeptici noem dit egter 'n soort illusionistiese truuk of spesiale effek, waarin 'n slim lensstelsel lig breek en die waarnemer se visie mislei.

Daar is redelik gevorderde wiskunde agter dit alles—wetenskaplikes moet dit gebruik om te vind hoe om die twee lense op te stel sodat die lig so gebreek word dat hulle die voorwerp direk agter hulle kan versteek. Hierdie oplossing werk nie net wanneer jy direk na die lense kyk nie - 'n hoek van 15 grade of 'n ander is genoeg.

1. "Invisibility Cap" van die Universiteit van Rochester.

Dit kan in motors gebruik word om blindekolle in spieëls of in operasiekamers uit te skakel, sodat chirurge deur hul hande kan sien. Dit is nog een in 'n lang reeks onthullings oor onsigbare tegnologiewat die afgelope jare na ons toe gekom het.

In 2012 het ons reeds van die “Cap of Invisibility” van die Amerikaanse Duke Universiteit gehoor. Net die mees nuuskieriges het toe gelees dat dit gaan oor die onsigbaarheid van 'n klein silinder in 'n piepklein fragment van die mikrogolfspektrum. 'n Jaar vroeër het amptenare van Duke berig oor sonar-stealth-tegnologie wat in sommige kringe belowend kan lyk.

Ongelukkig was dit onsigbaarheid slegs vanuit 'n sekere oogpunt en in 'n eng omvang, wat die tegnologie van weinig nut gemaak het. In 2013 het die onvermoeide ingenieurs by Duke 'n 3D-gedrukte toestel voorgestel wat 'n voorwerp wat binne geplaas is met mikrogate in die struktuur gekamoefleer het (2). Dit het egter weer in 'n beperkte reeks golwe gebeur en slegs vanuit 'n sekere oogpunt.

Die foto's wat op die internet gepubliseer is, het 'n belowende Kaapse Kanadese maatskappy Hyperstealth gelyk, wat in 2012 geadverteer is onder die intrige naam Quantum Stealth (3). Ongelukkig is werkende prototipes nog nooit gedemonstreer nie, en dit is ook nie verduidelik hoe dit werk nie. Die maatskappy noem sekuriteitskwessies as die rede en berig kripties dat dit geheime weergawes van die produk vir die weermag voorberei.

Voorste monitor, agterste kamera

Eerste modernonsigbaarheid cap» Tien jaar gelede deur Japannese ingenieur prof. Susumu Tachi van die Universiteit van Tokio. Hy het 'n kamera gebruik wat agter 'n man geposisioneer was met 'n jas wat ook 'n monitor was. Die beeld van die agterste kamera is daarop geprojekteer. Die geklede man was “onsigbaar”. ’n Soortgelyke truuk word gebruik deur die Adaptiv-voertuigkamoefleertoestel wat in die vorige dekade deur BAE Systems (4) bekendgestel is.

Dit vertoon 'n infrarooi beeld "van agter" op die tenk se pantser. So 'n masjien word eenvoudig nie in sigtoestelle gesien nie. Die idee om voorwerpe te masker het in 2006 gestalte gekry. John Pendry van Imperial College London, David Schurig en David Smith van Duke Universiteit het die teorie van "transformasie-optika" in die joernaal Science gepubliseer en aangebied hoe dit werk in die geval van mikrogolwe (langer golflengtes as sigbare lig).

2. 'n "Onsigbaarheidspet" in drie dimensies gedruk.

Met behulp van gepaste metamateriale kan 'n elektromagnetiese golf op so 'n manier gebuig word dat dit die omringende voorwerp omseil en na sy huidige pad terugkeer. Die parameter wat die algemene optiese reaksie van die medium kenmerk, is die brekingsindeks, wat bepaal hoeveel keer stadiger as in vakuum lig in hierdie medium beweeg. Ons bereken dit as die wortel van die produk van relatiewe elektriese en magnetiese deurlaatbaarheid.

relatiewe elektriese deurlaatbaarheid; bepaal hoeveel keer die elektriese interaksiekrag in 'n gegewe stof minder is as die interaksiekrag in vakuum. Daarom is dit 'n maatstaf van hoe sterk die elektriese ladings binne 'n stof reageer op 'n eksterne elektriese veld. Die meeste stowwe het 'n positiewe permittiwiteit, wat beteken dat die veld wat deur die stof verander word, steeds dieselfde betekenis het as die eksterne veld.

Die relatiewe magnetiese deurlaatbaarheid m bepaal hoe die magnetiese veld verander in 'n ruimte gevul met 'n gegewe materiaal, in vergelyking met die magnetiese veld wat in 'n vakuum met dieselfde eksterne magneetveldbron sou bestaan. Vir alle natuurlike stowwe is die relatiewe magnetiese deurlaatbaarheid positief. Vir deursigtige media soos glas of water is al drie die hoeveelhede positief.

Dan word lig, wat vanaf vakuum of lug (lugparameters verskil net effens van vakuum) in die medium beweeg, volgens die brekingswet gebreek en die verhouding van die sinus van die invalshoek tot die sinus van die brekingshoek is gelyk aan die brekingsindeks vir hierdie medium. Die waarde is minder as nul; en m beteken dat die elektrone binne die medium in die teenoorgestelde rigting beweeg as die krag wat deur die elektriese of magnetiese veld geskep word.

Dit is presies wat in metale gebeur, waarin die vrye elektrongas sy eie ossillasies ondergaan. As die frekwensie van 'n elektromagnetiese golf nie die frekwensie van hierdie natuurlike ossillasies van elektrone oorskry nie, dan skerm hierdie ossillasies die elektriese veld van die golf so effektief dat hulle dit nie toelaat om diep in die metaal binne te dring nie en selfs 'n veld skep wat teenoorgesteld gerig is. na die eksterne veld.

As gevolg hiervan is die permittiwiteit van so 'n materiaal negatief. Nie in staat om diep in die metaal binne te dring nie, word elektromagnetiese straling vanaf die oppervlak van die metaal weerkaats, en die metaal self verkry 'n kenmerkende glans. Wat as beide tipes permittiwiteit negatief was? Hierdie vraag is in 1967 deur die Russiese fisikus Viktor Veselago gevra. Dit blyk dat die brekingsindeks van so 'n medium negatief is en lig word op 'n heeltemal ander manier gebreek as wat volg uit die gewone brekingswet.

5. Negatiewe breking op die oppervlak van 'n metamateriaal - visualisering

Dan word die energie van die elektromagnetiese golf vorentoe oorgedra, maar die maksimum van die elektromagnetiese golf beweeg in die teenoorgestelde rigting as die vorm van die impuls en die oorgedra energie. Sulke materiale bestaan ​​nie in die natuur nie (daar is geen stowwe met negatiewe magnetiese deurlaatbaarheid nie). Slegs in die 2006-publikasie wat hierbo genoem is en in baie ander publikasies wat in die daaropvolgende jare geskep is, was dit moontlik om kunsmatige strukture met 'n negatiewe brekingsindeks te beskryf en dus te bou (5).

Hulle word metamateriale genoem. Die Griekse voorvoegsel "meta" beteken "na", dit wil sê, dit is strukture wat van natuurlike materiale gemaak is. Metamateriale verkry die eienskappe wat hulle benodig deur klein elektriese stroombane te bou wat die magnetiese of elektriese eienskappe van die materiaal naboots. Baie metale het 'n negatiewe elektriese deurlaatbaarheid, so dit is genoeg om ruimte te laat vir elemente wat 'n negatiewe magnetiese reaksie gee.

In plaas van 'n homogene metaal, word baie dun metaaldrade wat in die vorm van 'n kubieke rooster gerangskik is, aan 'n plaat van isolerende materiaal geheg. Deur die deursnee van die drade en die afstand tussen hulle te verander, is dit moontlik om die frekwensiewaardes aan te pas waarteen die struktuur 'n negatiewe elektriese deurlaatbaarheid sal hê. Om negatiewe magnetiese deurlaatbaarheid in die eenvoudigste geval te verkry, bestaan ​​die ontwerp uit twee gebreekte ringe wat van 'n goeie geleier gemaak is (byvoorbeeld goud, silwer of koper) en geskei word deur 'n laag van 'n ander materiaal.

So 'n stelsel word 'n gesplete ringresonator genoem - afgekort as SRR, uit die Engels. Splitringresonator (6). As gevolg van die gapings in die ringe en die afstand tussen hulle, het dit 'n sekere kapasitansie, soos 'n kapasitor, en aangesien die ringe van geleidende materiaal gemaak is, het dit ook 'n sekere induktansie, m.a.w. vermoë om strome op te wek.

Veranderinge in die eksterne magnetiese veld van die elektromagnetiese golf veroorsaak dat 'n stroom in die ringe vloei, en hierdie stroom skep 'n magnetiese veld. Dit blyk dat met 'n gepaste ontwerp die magnetiese veld wat deur die stelsel geskep word teenoor die eksterne veld gerig is. Dit lei tot 'n negatiewe magnetiese deurlaatbaarheid van 'n materiaal wat sulke elemente bevat. Deur die parameters van die metamateriaalstelsel te stel, kan 'n mens 'n negatiewe magnetiese respons in 'n redelike wye reeks golffrekwensies verkry.

meta - gebou

Die droom van die ontwerpers is om 'n stelsel te bou waarin die golwe ideaal om die voorwerp sou vloei (7). In 2008 het wetenskaplikes aan die Universiteit van Kalifornië, Berkeley, vir die eerste keer in die geskiedenis, driedimensionele materiale geskep wat 'n negatiewe brekingsindeks vir sigbare en naby-infrarooi lig het, wat lig in 'n rigting teenoor sy natuurlike rigting buig. Hulle het 'n nuwe metamateriaal geskep deur silwer met magnesiumfluoried te kombineer.

Dan word dit in 'n matriks gesny wat uit miniatuurnaalde bestaan. Die verskynsel van negatiewe breking is waargeneem by golflengtes van 1500 nm (naby infrarooi). Vroeg in 2010 het Tolga Ergin van Karlsruhe Institute of Technology en kollegas by Imperial College London geskep onsigbaar ligte gordyn. Die navorsers het materiaal wat op die mark beskikbaar is, gebruik.

Hulle het fotoniese kristalle gebruik wat op 'n oppervlak gelê is om 'n mikroskopiese uitsteeksel op 'n goue plaat te bedek. Die metamateriaal is dus uit spesiale lense geskep. Die lense oorkant die bult op die plaat is so geleë dat, deur 'n deel van die liggolwe af te buig, dit ligverstrooiing op die bult uitskakel. Deur die plaat onder 'n mikroskoop waar te neem en lig met 'n golflengte naby dié van sigbare lig te gebruik, het die wetenskaplikes 'n plat plaat gesien.

Later het navorsers van Duke University en Imperial College London daarin geslaag om 'n negatiewe weerkaatsing van mikrogolfstraling te verkry. Om hierdie effek te verkry, moet individuele elemente van die metamateriaalstruktuur minder as die golflengte van lig wees. Dit is dus 'n tegniese uitdaging wat die vervaardiging van baie klein metamateriaalstrukture vereis wat ooreenstem met die golflengte van lig wat hulle veronderstel is om te breek.

Sigbare lig (violet tot rooi) het 'n golflengte van 380 tot 780 nanometer ('n nanometer is een biljoenste van 'n meter). Nanotegnoloë van die Skotse Universiteit van St. Andrews het tot die redding gekom. Hulle het 'n enkele laag uiters digmaasde metamateriaal gekry. Die bladsye van die New Journal of Physics beskryf 'n metafleks wat golflengtes van ongeveer 620 nanometer (oranje-rooi lig) kan buig.

In 2012 het 'n groep Amerikaanse navorsers aan die Universiteit van Texas in Austin met 'n heeltemal ander truuk vorendag gekom deur mikrogolwe te gebruik. 'n Silinder met 'n deursnee van 18 cm is bedek met 'n negatiewe impedansie plasmamateriaal, wat manipulasie van die eienskappe moontlik maak. As dit presies die teenoorgestelde optiese eienskappe van die verborge voorwerp het, skep dit 'n soort "negatiewe".

Dus oorvleuel die twee golwe en die voorwerp word onsigbaar. Gevolglik kan die materiaal verskeie verskillende frekwensiereekse van die golf buig sodat hulle om die voorwerp vloei en aan die ander kant daarvan konvergeer, wat dalk nie vir 'n buite-waarnemer opmerklik sal wees nie. Teoretiese konsepte vermenigvuldig.

Ongeveer 'n dosyn maande gelede het Advanced Optical Materials 'n artikel gepubliseer oor 'n moontlik baanbrekende studie deur wetenskaplikes aan die Universiteit van Sentraal-Florida. Wie weet of hulle nie daarin geslaag het om die bestaande beperkings op "onsigbare hoede» Gebou uit metamateriale. Volgens die inligting wat hulle gepubliseer het, is die verdwyning van die voorwerp in die sigbare ligreeks moontlik.

7. Teoretiese maniere om lig op 'n onsigbare voorwerp te buig

Debashis Chanda en sy span beskryf die gebruik van 'n metamateriaal met 'n driedimensionele struktuur. Dit was moontlik om dit te kry danksy die sg. nano-oordragdruk (NTP), wat metaal-diëlektriese bande vervaardig. Die brekingsindeks kan deur nano-ingenieurswese-metodes verander word. Die ligvoortplantingspad moet in die driedimensionele oppervlakstruktuur van die materiaal beheer word deur die elektromagnetiese resonansiemetode te gebruik.

Wetenskaplikes is baie versigtig in hul gevolgtrekkings, maar uit die beskrywing van hul tegnologie is dit baie duidelik dat bedekkings van so 'n materiaal in staat is om elektromagnetiese golwe in 'n groot mate af te buig. Die manier waarop die nuwe materiaal verkry word, laat boonop die produksie van groot gebiede toe, wat daartoe gelei het dat sommige gedroom het van vegters wat met sulke kamoeflering bedek is wat hulle van onsigbaarheid volledig, van radar tot daglig.

Verbergingstoestelle wat metamateriale of optiese tegnieke gebruik, veroorsaak nie die werklike verdwyning van voorwerpe nie, maar slegs hul onsigbaarheid vir opsporingsinstrumente, en binnekort, miskien, vir die oog. Daar is egter reeds meer radikale idees. Jeng Yi Lee en Ray-Kuang Lee van die Taiwan Nasionale Tsing Hua Universiteit het 'n teoretiese konsep voorgestel van 'n kwantum "mantel van onsigbaarheid" wat in staat is om voorwerpe nie net uit die gesigsveld te verwyder nie, maar ook van die werklikheid as 'n geheel.

Dit sal soortgelyk werk aan wat hierbo bespreek is, maar die Schrödinger-vergelyking sal gebruik word in plaas van Maxwell se vergelykings. Die punt is om die voorwerp se waarskynlikheidsveld te rek sodat dit gelyk is aan nul. Teoreties is dit moontlik op mikroskaal. Dit sal egter lank neem om te wag vir die tegnologiese moontlikhede om so 'n omslag te vervaardig. Soos enige "onsigbaarheid cap“Wat gesê kan word dat sy regtig iets vir ons weggesteek het.