A „láthatatlansági sapkák” továbbra is láthatatlanok

A "láthatatlanság köpenye" ​​sorozatának legújabb darabja a Rochesteri Egyetemen született (1), amely a megfelelő optikai rendszert használja. A szkeptikusok azonban valamiféle illuzionista trükknek vagy speciális effektusnak nevezik, amelyben egy okos lencserendszer megtöri a fényt, és megtéveszti a szemlélő látását.

Valami igen fejlett matematika van az egész mögött – a tudósoknak ezt kell használniuk, hogy megtalálják, hogyan állítsák be a két lencsét úgy, hogy a fény úgy törjön meg, hogy el tudják rejteni a tárgyat közvetlenül mögöttük. Ez a megoldás nem csak akkor működik, ha közvetlenül a lencsékbe néz – 15 fokos vagy ennél nagyobb szög is elegendő.

1. "Láthatatlansági sapka" a Rochesteri Egyetemen.

Használható autókban a vakfoltok megszüntetésére a tükrökben vagy a műtőben, így a sebészek átláthatnak a kezükön. Ez egy újabb a kinyilatkoztatások hosszú sorában, amelyekről szól láthatatlan technológiaamelyek az elmúlt években érkeztek hozzánk.

2012-ben már hallottunk a "Cap of Invibility"-ről az amerikai Duke Egyetemtől. Csak a legérdekesebbek olvasták akkor, hogy egy kis henger láthatatlanságáról volt szó a mikrohullámú spektrum egy apró töredékében. Egy évvel korábban a Duke tisztviselői beszámoltak a szonár lopakodó technológiájáról, amely bizonyos körökben ígéretesnek tűnhet.

Sajnos az volt láthatatlanság csak bizonyos szempontból és szűk körben, ami a technológiát kevéssé használta. 2013-ban a Duke fáradhatatlan mérnökei egy 3D-s nyomtatott eszközt javasoltak, amely a szerkezetben lévő mikrolyukakkal álcázott egy tárgyat (2). Ez azonban ismét csak korlátozott hullámtartományban és csak egy bizonyos nézőpontból történt.

Az interneten közzétett fényképek ígéretesnek tűntek a Cape kanadai Hyperstealth cégnél, amelyet 2012-ben Quantum Stealth érdekes néven hirdettek (3). Sajnos működő prototípusokat soha nem mutattak be, és azt sem magyarázták el, hogyan működik. A cég biztonsági problémákat említ okként, és rejtélyesen beszámol arról, hogy a termék titkos verzióit készíti elő a hadsereg számára.

Elülső monitor, hátsó kamera

Első modernláthatatlanság sapka» Tíz éve vezette be Prof. japán mérnök. Susumu Tachi a Tokiói Egyetemről. Egy olyan kabátot viselő férfi mögé helyezett kamerát használt, amely egyben monitor is volt. A hátsó kamera képét vetítették rá. A köpenyes ember „láthatatlan” volt. Hasonló trükköt alkalmaz a BAE Systems által az előző évtizedben bemutatott Adaptiv járműálcázó berendezés (4).

Infravörös képet jelenít meg "hátulról" a tank páncélján. Ilyen gépet egyszerűen nem látni az irányzékokban. A tárgyak maszkolásának ötlete 2006-ban fogalmazódott meg. John Pendry, a londoni Imperial College munkatársa, David Schurig és David Smith, a Duke Egyetem munkatársa a Science folyóiratban publikálták az "transzformációs optika" elméletét, és bemutatták, hogyan működik ez a mikrohullámú (hosszabb hullámhosszúak, mint a látható fény) esetében.

2. Három dimenzióban nyomtatott "láthatatlan sapka".

Megfelelő metaanyagok segítségével egy elektromágneses hullám úgy hajlítható meg, hogy megkerüli a környező tárgyat és visszatér az aktuális útjára. A közeg általános optikai reakcióját jellemző paraméter a törésmutató, amely meghatározza, hogy ebben a közegben hányszor mozog lassabban a fény, mint a vákuumban. A relatív elektromos és mágneses permeabilitás szorzatának gyökeként számítjuk ki.

relatív elektromos permeabilitás; meghatározza, hogy egy adott anyagban az elektromos kölcsönhatási erő hányszor kisebb, mint a vákuumban fellépő kölcsönhatási erő. Ezért ez annak mértéke, hogy az anyagon belüli elektromos töltések milyen erősen reagálnak a külső elektromos térre. A legtöbb anyag pozitív permittivitással rendelkezik, ami azt jelenti, hogy az anyag által megváltoztatott mező továbbra is ugyanazt jelenti, mint a külső mező.

Az m relatív mágneses permeabilitás határozza meg, hogy egy adott anyaggal kitöltött térben hogyan változik a mágneses tér ahhoz a mágneses térhez képest, amely vákuumban ugyanazon külső mágneses térforrás mellett létezne. Minden természetben előforduló anyag esetében a relatív mágneses permeabilitás pozitív. Átlátszó közegeknél, mint például üveg vagy víz, mindhárom mennyiség pozitív.

Ezután a vákuumból vagy levegőből (a levegő paraméterei csak kis mértékben térnek el a vákuumtól) a közegbe áthaladó fény a törés törvénye szerint megtörik, és a beesési szög szinuszának és a törésszög szinuszának aránya egyenlő ennek a közegnek a törésmutatójával. Az érték kisebb, mint nulla; m pedig azt jelenti, hogy a közegben lévő elektronok az elektromos vagy mágneses tér által keltett erővel ellentétes irányban mozognak.

Pontosan ez történik a fémekben, amelyekben a szabad elektrongáz saját rezgésein megy keresztül. Ha egy elektromágneses hullám frekvenciája nem haladja meg az elektronok természetes oszcillációinak frekvenciáját, akkor ezek a rezgések olyan hatékonyan szűrik le a hullám elektromos terét, hogy nem engedik, hogy mélyen behatoljon a fémbe, sőt ellentétes irányú mezőt hozzon létre. a külső mezőre.

Ennek eredményeként egy ilyen anyag permittivitása negatív. Mivel nem tud mélyen behatolni a fémbe, az elektromágneses sugárzás visszaverődik a fém felületéről, és maga a fém jellegzetes fényt kap. Mi van, ha mindkét típusú permittivitás negatív lenne? Ezt a kérdést Viktor Veselago orosz fizikus tette fel 1967-ben. Kiderült, hogy egy ilyen közeg törésmutatója negatív, és a fény teljesen más módon törik meg, mint az a szokásos töréstörvényből következik.

5. Negatív fénytörés metaanyag felületén - vizualizáció

Ekkor az elektromágneses hullám energiája halad előre, de az elektromágneses hullám maximumai az impulzus alakjával és az átvitt energiával ellentétes irányban mozognak. Ilyen anyagok a természetben nem léteznek (nincs negatív mágneses permeabilitású anyag). Csak a fent említett 2006-os publikációban és sok más, az azt követő években készült publikációban volt lehetőség negatív törésmutatójú mesterséges szerkezetek leírására és így megépítésére (5).

Ezeket metaanyagoknak nevezik. A görög "meta" előtag azt jelenti, hogy "utána", vagyis ezek természetes anyagokból készült szerkezetek. A metaanyagok az anyag mágneses vagy elektromos tulajdonságait utánzó apró elektromos áramkörök építésével szerzik meg a szükséges tulajdonságokat. Sok fém negatív elektromos áteresztőképességgel rendelkezik, ezért elegendő helyet hagyni a negatív mágneses választ adó elemeknek.

Homogén fém helyett sok vékony fémhuzal, köbös rács formájában van rögzítve egy szigetelőanyag lemezre. A vezetékek átmérőjének és a köztük lévő távolság megváltoztatásával beállíthatók azok a frekvenciaértékek, amelyeknél a szerkezet negatív elektromos áteresztőképességgel rendelkezik. A negatív mágneses permeabilitás elérése érdekében a legegyszerűbb esetben a kialakítás két törött gyűrűből áll, amelyek jó vezetőből (például aranyból, ezüstből vagy rézből) készülnek, és egy másik anyagréteggel vannak elválasztva.

Az ilyen rendszert osztott gyűrűs rezonátornak nevezik - rövidítve SRR, az angolból. Osztott gyűrűs rezonátor (6). A gyűrűk hézagai és a köztük lévő távolság miatt bizonyos kapacitású, mint egy kondenzátornak, és mivel a gyűrűk vezető anyagból vannak, van egy bizonyos induktivitása is, pl. áramgenerálás képessége.

Az elektromágneses hullám által okozott külső mágneses tér változása miatt áram folyik a gyűrűkben, és ez az áram mágneses teret hoz létre. Kiderül, hogy megfelelő kialakítással a rendszer által létrehozott mágneses mező a külső térrel ellentétes irányban irányul. Ez az ilyen elemeket tartalmazó anyagok negatív mágneses permeabilitását eredményezi. A metaanyag rendszer paramétereinek beállításával a hullámfrekvenciák meglehetősen széles tartományában negatív mágneses választ kaphatunk.

meta - épület

A tervezők álma egy olyan rendszer kiépítése, amelyben a hullámok ideális esetben körbefolynák az objektumot (7). 2008-ban a Kaliforniai Egyetem (Berkeley) tudósai a történelem során először hoztak létre olyan háromdimenziós anyagokat, amelyek negatív törésmutatóval rendelkeznek a látható és közeli infravörös fényre, és a fényt a természetes irányával ellentétes irányba hajlítják. Új metaanyagot hoztak létre az ezüst és a magnézium-fluorid kombinálásával.

Ezután miniatűr tűkből álló mátrixba vágják. A negatív fénytörés jelenségét 1500 nm-es (infravörös közeli) hullámhosszon figyelték meg. 2010 elején Tolga Ergin, a Karlsruhe Institute of Technology munkatársa és munkatársai a londoni Imperial College-ban létrehozták láthatatlan fényfüggöny. A kutatók a piacon elérhető anyagokat használták fel.

Felületre fektetett fotonikus kristályokat használtak egy aranylemez mikroszkopikus kiemelkedésének fedezésére. Így a metaanyagot speciális lencsékből hozták létre. A lemezen a púptal szemben lévő lencsék úgy helyezkednek el, hogy a fényhullámok egy részének eltérítésével kiküszöbölik a fény szóródását a dudoron. A lemezt mikroszkóp alatt megfigyelve, a látható fény hullámhosszához közeli fény segítségével a tudósok egy lapos lemezt láttak.

Később a Duke Egyetem és az Imperial College London kutatóinak sikerült elérniük a mikrohullámú sugárzás negatív visszaverődését. E hatás eléréséhez a metaanyag-szerkezet egyes elemeinek kisebbnek kell lenniük, mint a fény hullámhossza. Tehát ez egy technikai kihívás, amely nagyon kicsi metaanyag-struktúrák létrehozását igényli, amelyek megfelelnek a fény hullámhosszának, amelyet meg kell törniük.

A látható fény (ibolya-piros) hullámhossza 380-780 nanométer (a nanométer a méter egy milliárdod része). A skót St. Andrews-i Egyetem nanotechnológusai segítettek. Egyetlen réteg rendkívül sűrű hálóanyagú metaanyagot kaptak. A New Journal of Physics oldalain egy metaflexet írnak le, amely körülbelül 620 nanométeres hullámhosszt képes meghajlítani (narancsvörös fény).

2012-ben az austini Texasi Egyetem amerikai kutatóinak egy csoportja egy teljesen más trükköt talált ki mikrohullámú sütők használatával. Egy 18 cm átmérőjű hengert negatív impedanciájú plazmaanyaggal vontak be, amely lehetővé teszi a tulajdonságok manipulálását. Ha éppen ellenkező optikai tulajdonságokkal rendelkezik, mint a rejtett objektum, akkor egyfajta "negatívumot" hoz létre.

Így a két hullám átfedi egymást, és a tárgy láthatatlanná válik. Ennek eredményeként az anyag a hullám több különböző frekvenciatartományát meghajlíthatja úgy, hogy azok a tárgy körül áramlanak, annak másik oldalán konvergálva, ami külső szemlélő számára nem biztos, hogy észrevehető. Az elméleti fogalmak szaporodnak.

Körülbelül egy tucat hónappal ezelőtt az Advanced Optical Materials közzétett egy cikket a Közép-Floridai Egyetem tudósai által végzett, valószínűleg úttörő tanulmányról. Ki tudja, nem sikerült-e leküzdeni a jelenlegi korlátozásokat "láthatatlan kalapok» Metaanyagokból épült. Az általuk közzétett információk szerint lehetséges az objektum eltűnése a látható fény tartományában.

7. A fény hajlításának elméleti módjai láthatatlan tárgyon

Debashis Chanda és csapata egy háromdimenziós szerkezetű metaanyag használatát írja le. Meg lehetett szerezni, köszönhetően az ún. nanotranszfer nyomtatás (NTP), amely fém-dielektromos szalagokat állít elő. A törésmutató nanomérnöki módszerekkel változtatható. A fény terjedési útját elektromágneses rezonancia módszerrel kell szabályozni az anyag háromdimenziós felületi szerkezetében.

A tudósok nagyon óvatosak következtetéseikben, de technológiájuk leírásából teljesen világos, hogy az ilyen anyagokból készült bevonatok nagymértékben képesek eltéríteni az elektromágneses hullámokat. Ráadásul az új anyag beszerzésének módja nagy területek előállítását teszi lehetővé, ami miatt egyesek olyan álcával borított harcosokról álmodoztak, amelyek biztosítanák számukra láthatatlanság teljes, a radartól a nappali fényig.

A metaanyagokat vagy optikai technikákat használó rejtőeszközök nem okozzák a tárgyak tényleges eltűnését, csak azok láthatatlanságát az észlelőeszközök számára, és hamarosan talán a szem számára is. Vannak azonban már radikálisabb ötletek is. Jeng Yi Lee és Ray-Kuang Lee, a Tajvani Nemzeti Tsing Hua Egyetemről egy olyan kvantum "láthatatlanság köpenyt" elméleti koncepciót javasoltak, amely nemcsak a látómezőből, hanem a valóság egészéből is képes eltávolítani a tárgyakat.

Ez a fentiekhez hasonlóan fog működni, de a Maxwell-egyenletek helyett a Schrödinger-egyenletet használjuk. A lényeg az, hogy az objektum valószínűségi mezőjét úgy nyújtsuk, hogy az egyenlő legyen nullával. Elméletileg ez mikroskálán lehetséges. Azonban sokáig kell várni egy ilyen burkolat gyártásának technológiai lehetőségeire. mint bármelyik"láthatatlanság sapka„Amiről elmondható, hogy valamit nagyon eltitkol a szemünk elől.