Νέα μεταϋλικά: φως υπό έλεγχο

Η πληθώρα αναφορών για τα «μεταϋλικά» (σε εισαγωγικά επειδή ο ορισμός αρχίζει να θολώνει) μας κάνει να τα θεωρούμε σχεδόν ως πανάκεια για όλα τα προβλήματα, τους πόνους και τους περιορισμούς που αντιμετωπίζει ο σύγχρονος κόσμος της τεχνολογίας. Οι πιο ενδιαφέρουσες έννοιες αφορούν πρόσφατα τον οπτικό υπολογιστή και την εικονική πραγματικότητα.

σε σχέση υποθετικοί υπολογιστές του μέλλοντοςΠαραδείγματα περιλαμβάνουν μελέτες από ειδικούς από το Ισραηλινό Πανεπιστήμιο TAU στο Τελ Αβίβ. Σχεδιάζουν πολυστρωματικά νανοϋλικά που θα επιτρέψουν τη δημιουργία οπτικών υπολογιστών. Με τη σειρά τους, ερευνητές από το ελβετικό Ινστιτούτο Paul Scherrer κατασκεύασαν μια ουσία τριών φάσεων από ένα δισεκατομμύριο μικροσκοπικούς μαγνήτες ικανούς να προσομοίωση τριών καταστάσεων συνάθροισης, κατ' αναλογία με το νερό.

Σε τι μπορεί να χρησιμοποιηθεί αυτό; Οι Ισραηλινοί θέλουν να χτίσουν. Οι Ελβετοί μιλούν για μεταφορά και καταγραφή δεδομένων και γενικά για spintronic.

Τριφασικό μεταϋλικό κατασκευασμένο από μίνιμαγνήτες, που προσομοιώνει τις τρεις καταστάσεις του νερού.

Φωτόνια κατόπιν αιτήματος

Έρευνα από επιστήμονες στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley του Τμήματος Ενέργειας θα μπορούσε να οδηγήσει στην ανάπτυξη οπτικών υπολογιστών βασισμένων σε μεταϋλικά. Προτείνουν τη δημιουργία ενός είδους πλαισίου λέιζερ που μπορεί να παγιδεύσει συγκεκριμένα πακέτα ατόμων σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία, δημιουργώντας ένα αυστηρά σχεδιασμένο, ελεγχόμενο δομή με βάση το φως. Μοιάζει με φυσικούς κρυστάλλους. Με μια διαφορά - είναι σχεδόν τέλειο· δεν παρατηρούνται ελαττώματα σε φυσικά υλικά.

Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι όχι μόνο θα μπορούν να ελέγχουν αυστηρά τη θέση των ομάδων ατόμων στον «ελαφρύ κρύσταλλό» τους, αλλά και να επηρεάζουν ενεργά τη συμπεριφορά μεμονωμένων ατόμων χρησιμοποιώντας ένα άλλο λέιζερ (σχεδόν υπέρυθρο). Θα τους αναγκάσουν, για παράδειγμα, να εκπέμπουν μια συγκεκριμένη ενέργεια κατόπιν ζήτησης - ακόμη και ένα μόνο φωτόνιο, το οποίο, αφαιρούμενο από ένα σημείο του κρυστάλλου, μπορεί να επηρεάσει ένα άτομο παγιδευμένο σε άλλο. Θα είναι ένα είδος απλής ανταλλαγής πληροφοριών.

Η ικανότητα γρήγορης απελευθέρωσης ενός φωτονίου με ελεγχόμενο τρόπο και μεταφοράς του με μικρή απώλεια από το ένα άτομο στο άλλο είναι ένα σημαντικό βήμα επεξεργασίας πληροφοριών για τον κβαντικό υπολογισμό. Μπορεί κανείς να φανταστεί τη χρήση ολόκληρων συστοιχιών ελεγχόμενων φωτονίων για την εκτέλεση πολύ περίπλοκων υπολογισμών - πολύ πιο γρήγορα από τη χρήση σύγχρονων υπολογιστών. Τα άτομα που είναι ενσωματωμένα σε έναν τεχνητό κρύσταλλο θα μπορούσαν επίσης να πηδήξουν από το ένα μέρος στο άλλο. Σε αυτή την περίπτωση, οι ίδιοι θα γίνονταν φορείς πληροφοριών σε έναν κβαντικό υπολογιστή ή θα μπορούσαν να δημιουργήσουν έναν κβαντικό αισθητήρα.

Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι τα άτομα ρουβιδίου είναι ιδανικά για τους σκοπούς τους. Ωστόσο, τα άτομα βαρίου, ασβεστίου ή καισίου μπορούν επίσης να συλληφθούν από έναν τεχνητό κρύσταλλο λέιζερ επειδή έχουν παρόμοια επίπεδα ενέργειας. Για να γίνει το προτεινόμενο μεταϋλικό σε πραγματικό πείραμα, η ερευνητική ομάδα θα έπρεπε να παγιδεύσει πολλά άτομα σε ένα τεχνητό κρυσταλλικό πλέγμα και να τα διατηρήσει εκεί ακόμα και όταν διεγείρονται σε καταστάσεις υψηλότερης ενέργειας.

Εικονική πραγματικότητα χωρίς οπτικά ελαττώματα

Τα μεταϋλικά θα μπορούσαν επίσης να βρουν χρήσιμες εφαρμογές σε άλλο αναπτυσσόμενο τομέα της τεχνολογίας - . Η εικονική πραγματικότητα έχει πολλούς διαφορετικούς περιορισμούς. Οι γνωστές σε εμάς ατέλειες της οπτικής παίζουν σημαντικό ρόλο. Είναι σχεδόν αδύνατο να κατασκευαστεί ένα τέλειο οπτικό σύστημα, γιατί υπάρχουν πάντα οι λεγόμενες εκτροπές, δηλ. παραμορφώσεις κυμάτων που προκαλούνται από διάφορους παράγοντες. Γνωρίζουμε τις σφαιρικές και χρωματικές εκτροπές, τον αστιγματισμό, το κώμα και πολλές, πολλές άλλες δυσμενείς επιπτώσεις της οπτικής. Όποιος έχει χρησιμοποιήσει σετ εικονικής πραγματικότητας μάλλον έχει αντιμετωπίσει αυτά τα φαινόμενα. Είναι αδύνατο να σχεδιάσετε οπτικά VR που να είναι ελαφριά, να παράγουν εικόνες υψηλής ποιότητας, να μην έχουν ορατά ουράνια τόξα (χρωματικές εκτροπές), να έχουν μεγάλο οπτικό πεδίο και να είναι φθηνά. Αυτό είναι απλώς εξωπραγματικό.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι κατασκευαστές εξοπλισμού VR - Oculus και HTC - χρησιμοποιούν τους λεγόμενους φακούς Fresnel. Αυτό σας επιτρέπει να αποκτήσετε σημαντικά μικρότερο βάρος, να εξαλείψετε τις χρωματικές εκτροπές και να πάρετε μια σχετικά χαμηλή τιμή (το υλικό για την παραγωγή τέτοιων φακών είναι φθηνό). Δυστυχώς, οι ελαφροί διαθλαστικοί δακτύλιοι προκαλούν w Φακοί Fresnel σημαντική πτώση της αντίθεσης και δημιουργία φυγόκεντρης λάμψης, η οποία είναι ιδιαίτερα αισθητή όπου η σκηνή έχει υψηλή αντίθεση (μαύρο φόντο).

Ωστόσο, πρόσφατα επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, με επικεφαλής τον Φεντερίκο Καπάσο, κατάφεραν να αναπτύξουν λεπτός και επίπεδος φακός με χρήση μεταϋλικών. Το στρώμα νανοδομής στο γυαλί είναι πιο λεπτό από μια ανθρώπινη τρίχα (0,002 mm). Όχι μόνο δεν έχει τα τυπικά μειονεκτήματα, αλλά παρέχει επίσης πολύ καλύτερη ποιότητα εικόνας από τα ακριβά οπτικά συστήματα.

Ο φακός Capasso, σε αντίθεση με τους τυπικούς κυρτούς φακούς που λυγίζουν και διασκορπίζουν το φως, αλλάζει τις ιδιότητες του κύματος φωτός λόγω μικροσκοπικών δομών που προεξέχουν από την επιφάνεια, που εναποτίθενται σε γυαλί χαλαζία. Κάθε τέτοια προεξοχή διαθλά το φως διαφορετικά, αλλάζοντας την κατεύθυνσή του. Επομένως, είναι σημαντικό να διανεμηθεί σωστά μια τέτοια νανοδομή (μοτίβο), η οποία έχει σχεδιαστεί σε υπολογιστή και παράγεται με μεθόδους παρόμοιες με τους επεξεργαστές υπολογιστών. Αυτό σημαίνει ότι αυτός ο τύπος φακού μπορεί να παραχθεί στα ίδια εργοστάσια με πριν, χρησιμοποιώντας γνωστές διαδικασίες. Το διοξείδιο του τιτανίου χρησιμοποιείται για ψεκασμό.

Αξίζει να αναφερθεί μια άλλη καινοτόμος λύση «μετα-οπτικής». υπερφακοί μεταϋλικού, κατασκευασμένο στο Αμερικανικό Πανεπιστήμιο στο Μπάφαλο. Οι πρώτες εκδόσεις των υπερφακών ήταν κατασκευασμένες από ασήμι και ένα διηλεκτρικό υλικό, αλλά λειτουργούσαν μόνο σε ένα πολύ στενό εύρος μηκών κύματος. Οι επιστήμονες του Buffalo χρησιμοποίησαν μια ομόκεντρη διάταξη ράβδων χρυσού σε ένα θερμοπλαστικό περίβλημα. Λειτουργεί στην περιοχή μήκους κύματος του ορατού φωτός. Οι ερευνητές επεξηγούν την αύξηση της ανάλυσης που προκύπτει από τη νέα λύση χρησιμοποιώντας ένα ιατρικό ενδοσκόπιο ως παράδειγμα. Τυπικά αναγνωρίζει αντικείμενα έως και 10 νανόμετρα και μετά την εγκατάσταση υπερφακών «κατεβαίνει» στα 250 νανόμετρα. Ο σχεδιασμός ξεπερνά το πρόβλημα της περίθλασης, ένα φαινόμενο που μειώνει σημαντικά την ανάλυση των οπτικών συστημάτων - αντί για παραμορφώσεις κυμάτων, μετατρέπονται σε κύματα που μπορούν να καταγραφούν σε επόμενες οπτικές συσκευές.

Σύμφωνα με δημοσίευση στο Nature Communications, αυτή η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πολλούς τομείς, από την ιατρική μέχρι την παρατήρηση μεμονωμένων μορίων. Είναι σκόπιμο να περιμένετε για συγκεκριμένες συσκευές που βασίζονται σε μεταϋλικά. Ίσως επιτρέψουν στην εικονική πραγματικότητα να γίνει επιτέλους πραγματική επιτυχία. Όσο για τους «οπτικούς υπολογιστές», αυτοί είναι ακόμα μάλλον μακρινές και αόριστες προοπτικές. Ωστόσο, τίποτα δεν μπορεί να αποκλειστεί...