Τα "Αόρατα καπάκια" εξακολουθούν να είναι αόρατα

Το τελευταίο σε μια σειρά από «μανδύες αορατότητας» είναι αυτό που γεννήθηκε στο Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ (1), το οποίο χρησιμοποιεί το κατάλληλο οπτικό σύστημα. Ωστόσο, οι σκεπτικιστές το αποκαλούν κάποιου είδους ψευδαίσθητο κόλπο ή ειδικό εφέ, στο οποίο ένα έξυπνο σύστημα φακών διαθλά το φως και εξαπατά την όραση του παρατηρητή.

Υπάρχουν αρκετά προηγμένα μαθηματικά πίσω από όλα - οι επιστήμονες πρέπει να τα χρησιμοποιήσουν για να βρουν πώς να ρυθμίσουν τους δύο φακούς έτσι ώστε το φως να διαθλάται με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορούν να κρύψουν το αντικείμενο ακριβώς πίσω τους. Αυτή η λύση λειτουργεί όχι μόνο όταν κοιτάτε απευθείας τους φακούς - αρκεί μια γωνία 15 μοιρών ή άλλη.

1. «Invisibility Cap» από το Πανεπιστήμιο του Rochester.

Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε αυτοκίνητα για την εξάλειψη των τυφλών σημείων στους καθρέφτες ή στις χειρουργικές αίθουσες, επιτρέποντας στους χειρουργούς να βλέπουν μέσα από τα χέρια τους. Αυτή είναι μια άλλη από μια μακρά σειρά αποκαλύψεων για αόρατη τεχνολογίαπου μας έχουν έρθει τα τελευταία χρόνια.

Το 2012 ακούσαμε ήδη για το «Cap of Invisibility» από το Αμερικανικό Πανεπιστήμιο Duke. Μόνο ο πιο περίεργος διάβασε τότε ότι επρόκειτο για το αόρατο ενός μικρού κυλίνδρου σε ένα μικροσκοπικό θραύσμα του φάσματος των μικροκυμάτων. Ένα χρόνο νωρίτερα, οι αξιωματούχοι του Duke ανέφεραν την τεχνολογία stealth των σόναρ που μπορεί να φαίνεται πολλά υποσχόμενη σε ορισμένους κύκλους.

Δυστυχώς, ήταν αόρατο μόνο από μια ορισμένη σκοπιά και σε ένα στενό πεδίο, που έκανε την τεχνολογία ελάχιστη χρήση. Το 2013, οι ακούραστοι μηχανικοί του Duke πρότειναν μια τρισδιάστατη εκτυπωμένη συσκευή που καμουφλάριζε ένα αντικείμενο τοποθετημένο μέσα με μικρο-οπές στη δομή (3). Ωστόσο, και πάλι, αυτό συνέβη σε περιορισμένο εύρος κυμάτων και μόνο από μια συγκεκριμένη οπτική γωνία.

Οι φωτογραφίες που δημοσιεύτηκαν στο Διαδίκτυο έμοιαζαν πολλά υποσχόμενο ακρωτήριο καναδική εταιρεία Hyperstealth, η οποία το 2012 διαφημίστηκε με το ενδιαφέρον όνομα Quantum Stealth (3). Δυστυχώς, τα λειτουργικά πρωτότυπα δεν έχουν ποτέ επιδειχθεί, ούτε έχει εξηγηθεί πώς λειτουργεί. Η εταιρεία επικαλείται ζητήματα ασφαλείας ως αιτία και κρυφά αναφέρει ότι ετοιμάζει μυστικές εκδόσεις του προϊόντος για τον στρατό.

Μπροστινή οθόνη, πίσω κάμερα

Πρώτη μοντέρνακαπάκι αορατότητας» Παρουσιάστηκε πριν από δέκα χρόνια από τον Ιάπωνα μηχανικό Prof. Susumu Tachi από το Πανεπιστήμιο του Τόκιο. Χρησιμοποίησε μια κάμερα τοποθετημένη πίσω από έναν άνδρα που φορούσε ένα παλτό που ήταν επίσης οθόνη. Η εικόνα από την πίσω κάμερα προβλήθηκε σε αυτό. Ο μανδύας ήταν «αόρατος». Ένα παρόμοιο τέχνασμα χρησιμοποιείται από τη συσκευή καμουφλάζ οχημάτων Adaptiv που παρουσιάστηκε την προηγούμενη δεκαετία από την BAE Systems (4).

Εμφανίζει μια υπέρυθρη εικόνα «από πίσω» στην πανοπλία του τανκ. Ένα τέτοιο μηχάνημα απλά δεν φαίνεται σε συσκευές παρατήρησης. Η ιδέα της κάλυψης αντικειμένων διαμορφώθηκε το 2006. Ο John Pendry του Imperial College του Λονδίνου, ο David Schurig και ο David Smith του Duke University δημοσίευσαν τη θεωρία της «οπτικής μετασχηματισμού» στο περιοδικό Science και παρουσίασαν πώς λειτουργεί στην περίπτωση των μικροκυμάτων (μεγαλύτερα μήκη κύματος από το ορατό φως).

2. Ένα "αόρατο καπάκι" τυπωμένο σε τρεις διαστάσεις.

Με τη βοήθεια κατάλληλων μεταϋλικών, ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα μπορεί να κάμπτεται με τέτοιο τρόπο ώστε να παρακάμψει το περιβάλλον αντικείμενο και να επιστρέψει στην τρέχουσα διαδρομή του. Η παράμετρος που χαρακτηρίζει τη γενική οπτική αντίδραση του μέσου είναι ο δείκτης διάθλασης, ο οποίος καθορίζει πόσες φορές πιο αργά από ότι στο κενό, το φως κινείται σε αυτό το μέσο. Το υπολογίζουμε ως τη ρίζα του γινομένου σχετικής ηλεκτρικής και μαγνητικής διαπερατότητας.

σχετική ηλεκτρική διαπερατότητα. καθορίζει πόσες φορές η δύναμη ηλεκτρικής αλληλεπίδρασης σε μια δεδομένη ουσία είναι μικρότερη από τη δύναμη αλληλεπίδρασης στο κενό. Επομένως, είναι ένα μέτρο του πόσο έντονα ανταποκρίνονται τα ηλεκτρικά φορτία μέσα σε μια ουσία σε ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο. Οι περισσότερες ουσίες έχουν θετική διαπερατότητα, που σημαίνει ότι το πεδίο που αλλάζει η ουσία εξακολουθεί να έχει την ίδια σημασία με το εξωτερικό πεδίο.

Η σχετική μαγνητική διαπερατότητα m καθορίζει πώς αλλάζει το μαγνητικό πεδίο σε έναν χώρο γεμάτο με ένα δεδομένο υλικό, σε σύγκριση με το μαγνητικό πεδίο που θα υπήρχε σε ένα κενό με την ίδια πηγή εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Για όλες τις φυσικές ουσίες, η σχετική μαγνητική διαπερατότητα είναι θετική. Για διαφανή μέσα όπως γυαλί ή νερό, και οι τρεις ποσότητες είναι θετικές.

Στη συνέχεια, το φως, που περνά από το κενό ή τον αέρα (οι παράμετροι του αέρα διαφέρουν ελάχιστα από το κενό) στο μέσο, ​​διαθλάται σύμφωνα με το νόμο της διάθλασης και ο λόγος του ημιτόνου της γωνίας πρόσπτωσης προς το ημίτονο της γωνίας διάθλασης είναι ίσο με το δείκτη διάθλασης για αυτό το μέσο. Η τιμή είναι μικρότερη από το μηδέν. και m σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια μέσα στο μέσο κινούνται προς την αντίθετη κατεύθυνση από τη δύναμη που δημιουργεί το ηλεκτρικό ή μαγνητικό πεδίο.

Αυτό ακριβώς συμβαίνει στα μέταλλα, στα οποία το αέριο ελεύθερο ηλεκτρόνιο υφίσταται τις δικές του ταλαντώσεις. Εάν η συχνότητα ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος δεν υπερβαίνει τη συχνότητα αυτών των φυσικών ταλαντώσεων των ηλεκτρονίων, τότε αυτές οι ταλαντώσεις ελέγχουν το ηλεκτρικό πεδίο του κύματος τόσο αποτελεσματικά που δεν του επιτρέπουν να διεισδύσει βαθιά στο μέταλλο και ακόμη και να δημιουργήσει ένα πεδίο που κατευθύνεται αντίθετα. προς το εξωτερικό πεδίο.

Ως αποτέλεσμα, η διαπερατότητα ενός τέτοιου υλικού είναι αρνητική. Ανίκανη να διεισδύσει βαθιά μέσα στο μέταλλο, η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία αντανακλάται από την επιφάνεια του μετάλλου και το ίδιο το μέταλλο αποκτά μια χαρακτηριστική λάμψη. Τι θα γινόταν αν και οι δύο τύποι επιτρεπότητας ήταν αρνητικοί; Αυτή η ερώτηση έγινε το 1967 από τον Ρώσο φυσικό Viktor Veselago. Αποδεικνύεται ότι ο δείκτης διάθλασης ενός τέτοιου μέσου είναι αρνητικός και το φως διαθλάται με εντελώς διαφορετικό τρόπο από αυτόν που προκύπτει από τον συνηθισμένο νόμο της διάθλασης.

5. Αρνητική διάθλαση στην επιφάνεια ενός μεταϋλικού - οπτικοποίηση

Τότε η ενέργεια του ηλεκτρομαγνητικού κύματος μεταφέρεται προς τα εμπρός, αλλά τα μέγιστα του ηλεκτρομαγνητικού κύματος κινούνται προς την αντίθετη κατεύθυνση από το σχήμα της ώθησης και τη μεταφερόμενη ενέργεια. Τέτοια υλικά δεν υπάρχουν στη φύση (δεν υπάρχουν ουσίες με αρνητική μαγνητική διαπερατότητα). Μόνο στη δημοσίευση του 2006 που αναφέρθηκε παραπάνω και σε πολλές άλλες δημοσιεύσεις που δημιουργήθηκαν τα επόμενα χρόνια, ήταν δυνατό να περιγραφούν και, επομένως, να κατασκευαστούν τεχνητές κατασκευές με αρνητικό δείκτη διάθλασης (5).

Ονομάζονται μεταϋλικά. Το ελληνικό πρόθεμα "meta" σημαίνει "μετά", δηλαδή πρόκειται για κατασκευές κατασκευασμένες από φυσικά υλικά. Τα μεταϋλικά αποκτούν τις ιδιότητες που χρειάζονται κατασκευάζοντας μικροσκοπικά ηλεκτρικά κυκλώματα που μιμούνται τις μαγνητικές ή ηλεκτρικές ιδιότητες του υλικού. Πολλά μέταλλα έχουν αρνητική ηλεκτρική διαπερατότητα, επομένως αρκεί να αφήσουμε χώρο για στοιχεία που δίνουν αρνητική μαγνητική απόκριση.

Αντί για ένα ομοιογενές μέταλλο, πολλά λεπτά μεταλλικά σύρματα διατεταγμένα με τη μορφή κυβικού πλέγματος συνδέονται σε μια πλάκα μονωτικού υλικού. Αλλάζοντας τη διάμετρο των καλωδίων και την απόσταση μεταξύ τους, είναι δυνατή η προσαρμογή των τιμών συχνότητας στις οποίες η δομή θα έχει αρνητική ηλεκτρική διαπερατότητα. Για να επιτευχθεί αρνητική μαγνητική διαπερατότητα στην απλούστερη περίπτωση, το σχέδιο αποτελείται από δύο σπασμένους δακτυλίους κατασκευασμένους από έναν καλό αγωγό (για παράδειγμα, χρυσό, ασήμι ή χαλκό) και χωρίζονται από ένα στρώμα άλλου υλικού.

Ένα τέτοιο σύστημα ονομάζεται αντηχείο split ring - συντομογραφία SRR, από τα αγγλικά. Αντηχείο χωριστού δακτυλίου (6). Λόγω των κενών στους δακτυλίους και της απόστασης μεταξύ τους, έχει μια ορισμένη χωρητικότητα, όπως ένας πυκνωτής, και επειδή οι δακτύλιοι είναι κατασκευασμένοι από αγώγιμο υλικό, έχει επίσης μια συγκεκριμένη αυτεπαγωγή, δηλ. ικανότητα παραγωγής ρευμάτων.

Οι αλλαγές στο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο από το ηλεκτρομαγνητικό κύμα προκαλούν τη ροή ρεύματος στους δακτυλίους και αυτό το ρεύμα δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο. Αποδεικνύεται ότι με κατάλληλο σχεδιασμό, το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από το σύστημα κατευθύνεται αντίθετα από το εξωτερικό πεδίο. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα αρνητική μαγνητική διαπερατότητα υλικού που περιέχει τέτοια στοιχεία. Ρυθμίζοντας τις παραμέτρους του συστήματος μετα-υλικών, μπορεί κανείς να αποκτήσει αρνητική μαγνητική απόκριση σε ένα αρκετά μεγάλο εύρος συχνοτήτων κυμάτων.

μετα - κτίριο

Το όνειρο των σχεδιαστών είναι να κατασκευάσουν ένα σύστημα στο οποίο τα κύματα θα κυλούσαν ιδανικά γύρω από το αντικείμενο (7). Το 2008, επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, για πρώτη φορά στην ιστορία, δημιούργησαν τρισδιάστατα υλικά που έχουν αρνητικό δείκτη διάθλασης για το ορατό και το εγγύς υπέρυθρο φως, κάμπτοντας το φως σε κατεύθυνση αντίθετη από τη φυσική του κατεύθυνση. Δημιούργησαν ένα νέο μεταϋλικό συνδυάζοντας το ασήμι με το φθοριούχο μαγνήσιο.

Στη συνέχεια κόβεται σε μια μήτρα που αποτελείται από μικροσκοπικές βελόνες. Το φαινόμενο της αρνητικής διάθλασης έχει παρατηρηθεί σε μήκη κύματος 1500 nm (κοντά στο υπέρυθρο). Στις αρχές του 2010, ο Tolga Ergin του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καρλσρούης και οι συνεργάτες του στο Imperial College του Λονδίνου δημιούργησαν αόρατος ελαφριά κουρτίνα. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν υλικά που ήταν διαθέσιμα στην αγορά.

Χρησιμοποίησαν φωτονικούς κρυστάλλους τοποθετημένους σε μια επιφάνεια για να καλύψουν μια μικροσκοπική προεξοχή σε μια χρυσή πλάκα. Έτσι το μεταϋλικό δημιουργήθηκε από ειδικούς φακούς. Οι φακοί απέναντι από το εξόγκωμα της πλάκας είναι τοποθετημένοι με τέτοιο τρόπο ώστε, εκτρέποντας μέρος των κυμάτων φωτός, εξαλείφουν τη διασπορά του φωτός στο εξόγκωμα. Παρατηρώντας την πλάκα κάτω από ένα μικροσκόπιο, χρησιμοποιώντας φως με μήκος κύματος κοντά σε αυτό του ορατού φωτός, οι επιστήμονες είδαν μια επίπεδη πλάκα.

Αργότερα, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Duke και το Imperial College του Λονδίνου κατάφεραν να λάβουν μια αρνητική ανάκλαση της ακτινοβολίας μικροκυμάτων. Για να επιτευχθεί αυτό το αποτέλεσμα, τα μεμονωμένα στοιχεία της δομής του μεταϋλικού πρέπει να είναι μικρότερα από το μήκος κύματος του φωτός. Επομένως, είναι μια τεχνική πρόκληση που απαιτεί την παραγωγή πολύ μικρών δομών μεταϋλικών που ταιριάζουν με το μήκος κύματος του φωτός που υποτίθεται ότι διαθλούν.

Το ορατό φως (ιώδες προς κόκκινο) έχει μήκος κύματος από 380 έως 780 νανόμετρα (ένα νανόμετρο είναι ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου). Νανοτεχνολόγοι από το Πανεπιστήμιο του Σεντ Άντριους της Σκωτίας ήρθαν στη διάσωση. Πήραν ένα μόνο στρώμα μεταϋλικού με εξαιρετικά πυκνό πλέγμα. Οι σελίδες του New Journal of Physics περιγράφουν ένα metaflex ικανό να κάμπτει μήκη κύματος περίπου 620 νανόμετρων (πορτοκαλοκόκκινο φως).

Το 2012, μια ομάδα Αμερικανών ερευνητών στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ώστιν σκέφτηκε ένα εντελώς διαφορετικό κόλπο χρησιμοποιώντας φούρνους μικροκυμάτων. Ένας κύλινδρος με διάμετρο 18 cm επικαλύφθηκε με ένα υλικό πλάσματος αρνητικής αντίστασης, το οποίο επιτρέπει τον χειρισμό των ιδιοτήτων. Αν έχει ακριβώς τις αντίθετες οπτικές ιδιότητες του κρυμμένου αντικειμένου, δημιουργεί ένα είδος «αρνητικού».

Έτσι, τα δύο κύματα αλληλοκαλύπτονται και το αντικείμενο γίνεται αόρατο. Ως αποτέλεσμα, το υλικό μπορεί να κάμψει πολλές διαφορετικές περιοχές συχνοτήτων του κύματος έτσι ώστε να ρέουν γύρω από το αντικείμενο, συγκλίνοντας στην άλλη πλευρά του, κάτι που μπορεί να μην είναι αντιληπτό σε έναν εξωτερικό παρατηρητή. Οι θεωρητικές έννοιες πολλαπλασιάζονται.

Πριν από περίπου δώδεκα μήνες, η Advanced Optical Materials δημοσίευσε ένα άρθρο σχετικά με μια πιθανώς πρωτοποριακή μελέτη από επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο της Κεντρικής Φλόριντα. Ποιος ξέρει αν δεν κατάφεραν να ξεπεράσουν τους υφιστάμενους περιορισμούς στο "αόρατα καπέλα» Κατασκευασμένο από μεταϋλικά. Σύμφωνα με τις πληροφορίες που δημοσίευσαν, είναι πιθανή η εξαφάνιση του αντικειμένου στην περιοχή του ορατού φωτός.

7. Θεωρητικοί τρόποι κάμψης φωτός σε αόρατο αντικείμενο

Ο Debashis Chanda και η ομάδα του περιγράφουν τη χρήση ενός μεταϋλικού με τρισδιάστατη δομή. Ήταν δυνατό να το αποκτήσετε χάρη στο λεγόμενο. εκτύπωση νανομεταφοράς (NTP), η οποία παράγει μεταλλικές-διηλεκτρικές ταινίες. Ο δείκτης διάθλασης μπορεί να αλλάξει με μεθόδους νανομηχανικής. Η διαδρομή διάδοσης του φωτός πρέπει να ελέγχεται στην τρισδιάστατη επιφανειακή δομή του υλικού χρησιμοποιώντας τη μέθοδο ηλεκτρομαγνητικού συντονισμού.

Οι επιστήμονες είναι πολύ προσεκτικοί στα συμπεράσματά τους, αλλά από την περιγραφή της τεχνολογίας τους είναι ξεκάθαρο ότι οι επικαλύψεις ενός τέτοιου υλικού είναι ικανές να εκτρέψουν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα σε μεγάλο βαθμό. Επιπλέον, ο τρόπος απόκτησης του νέου υλικού επιτρέπει την παραγωγή μεγάλων περιοχών, γεγονός που έχει οδηγήσει ορισμένους να ονειρεύονται μαχητές καλυμμένους με τέτοιο καμουφλάζ που θα τους παρείχε αόρατο πλήρης, από το ραντάρ μέχρι το φως της ημέρας.

Οι συσκευές απόκρυψης που χρησιμοποιούν μεταϋλικά ή οπτικές τεχνικές δεν προκαλούν την πραγματική εξαφάνιση των αντικειμένων, αλλά μόνο την αορατότητά τους στα εργαλεία ανίχνευσης και σύντομα, ίσως, στο μάτι. Ωστόσο, υπάρχουν ήδη πιο ριζοσπαστικές ιδέες. Οι Jeng Yi Lee και Ray-Kuang Lee από το Εθνικό Πανεπιστήμιο Tsing Hua της Ταϊβάν πρότειναν μια θεωρητική ιδέα ενός κβαντικού "μανδύα αορατότητας" ικανού να αφαιρεί αντικείμενα όχι μόνο από το οπτικό πεδίο, αλλά και από την πραγματικότητα ως σύνολο.

Αυτό θα λειτουργήσει παρόμοια με αυτό που συζητήθηκε παραπάνω, αλλά η εξίσωση Schrödinger θα χρησιμοποιηθεί αντί για τις εξισώσεις του Maxwell. Το θέμα είναι να τεντώσει το πεδίο πιθανότητας του αντικειμένου έτσι ώστε να είναι ίσο με το μηδέν. Θεωρητικά, αυτό είναι δυνατό σε μικροκλίμακα. Ωστόσο, θα χρειαστεί πολύς χρόνος για να περιμένουμε τις τεχνολογικές δυνατότητες κατασκευής ενός τέτοιου καλύμματος. Όπως κάθε"καπάκι αορατότητας«Που μπορεί να ειπωθεί ότι πραγματικά έκρυβε κάτι από την οπτική μας.