Novi metamateriali: svetloba pod nadzorom
Številna poročila o »metamaterialah« (v narekovajih, ker se definicija začenja zamegljevati) nas o njih razmišlja kot o skoraj panaceji za vse težave, bolečine in omejitve, s katerimi se sooča sodobni svet tehnologije. Najbolj zanimivi koncepti v zadnjem času se nanašajo na optične računalnike in navidezno resničnost.
v razmerju hipotetični računalniki prihodnostikot primer lahko navedemo raziskavo strokovnjakov z izraelske univerze TAU v Tel Avivu. Oblikujejo večplastne nanomateriale, ki bi jih morali uporabiti za ustvarjanje optičnih računalnikov. Po drugi strani so raziskovalci s švicarskega inštituta Paul Scherrer zgradili trifazno snov iz milijarde miniaturnih magnetov, ki so sposobni simulirati tri agregatna stanja, po analogiji z vodo.
Za kaj se lahko uporablja? Izraelci želijo graditi. Švicarji govorijo o prenosu in snemanju podatkov, pa tudi o spintroniki nasploh.
Trifazni metamaterial iz minimagnetov, ki posnema tri stanja vode.
Fotoni na zahtevo
Raziskave znanstvenikov iz Nacionalnega laboratorija Lawrence Berkeley na Ministrstvu za energijo lahko privedejo do razvoja optičnih računalnikov, ki temeljijo na metamaterialah. Predlagajo, da ustvarijo nekakšen laserski okvir, ki lahko zajame določene pakete atomov na določenem mestu in ustvari strogo zasnovan, nadzorovan struktura na osnovi svetlobe. Podobno je naravnim kristalom. Z eno razliko - skoraj popolna, pri naravnih materialih ni opaziti napak.
Znanstveniki verjamejo, da ne bodo mogli le strogo nadzorovati položaja skupin atomov v njihovem "svetlobnem kristalu", temveč tudi aktivno vplivati na obnašanje posameznih atomov z drugim laserjem (bližnje infrardeče območje). Naredili bodo, da na primer na zahtevo oddajajo določeno energijo - celo en foton, ki lahko, ko ga odstranimo z enega mesta v kristalu, deluje na atom, ujet v drugem. To bo nekakšna preprosta izmenjava informacij.
Sposobnost hitrega nadzorovanega sproščanja fotona in njegovega prenosa z majhnimi izgubami iz enega atoma v drugega je pomemben korak obdelave informacij za kvantno računalništvo. Lahko si predstavljamo uporabo celotnega niza nadzorovanih fotonov za izvajanje zelo zapletenih izračunov – veliko hitreje kot pri sodobnih računalnikih. Atomi, vgrajeni v umetni kristal, bi lahko tudi skakali z enega mesta na drugega. V tem primeru bi sami postali nosilci informacij v kvantnem računalniku ali bi lahko ustvarili kvantni senzor.
Znanstveniki so ugotovili, da so atomi rubidija idealni za svoje namene. Vendar pa lahko umetni laserski kristal zajame tudi atome barija, kalcija ali cezija, saj imajo podobne energijske ravni. Da bi predlagani metamaterial naredili v resničnem eksperimentu, bi morala raziskovalna skupina ujeti nekaj atomov v umetno kristalno mrežo in jih tam obdržati, tudi ko so vznemirjeni v višje energijska stanja.
Virtualna resničnost brez optičnih napak
Metamateriali bi lahko našli uporabne aplikacije na drugem področju tehnologije v razvoju -. Virtualna resničnost ima veliko različnih omejitev. Pomanjkljivosti optike, ki jih poznamo, igrajo pomembno vlogo. Praktično je nemogoče zgraditi popoln optični sistem, ker vedno obstajajo tako imenovane aberacije, tj. popačenje valov, ki ga povzročajo različni dejavniki. Zavedamo se sferičnih in kromatičnih aberacij, astigmatizma, kome in mnogih, mnogih drugih škodljivih učinkov optike. Vsakdo, ki je uporabljal komplete virtualne resničnosti, se je moral soočiti s temi pojavi. Nemogoče je oblikovati optiko VR, ki je lahka, ustvarja visokokakovostne slike, nima vidne mavrice (kromatske aberacije), daje veliko vidno polje in je poceni. To je preprosto nerealno.
Zato proizvajalca opreme VR Oculus in HTC uporabljata tako imenovane Fresnelove leče. To vam omogoča bistveno manjšo težo, odpravljanje kromatičnih aberacij in relativno nizko ceno (material za izdelavo takšnih leč je poceni). Žal lomni obroči povzročajo w Fresnelove leče občuten padec kontrasta in ustvarjanje centrifugalnega sijaja, kar je še posebej opazno tam, kjer ima prizor visok kontrast (črno ozadje).
Vendar pa je nedavno znanstvenikom z univerze Harvard, ki jih vodi Federico Capasso, uspelo razviti tanka in ravna leča z uporabo metamaterialov. Plast nanostrukture na steklu je tanjša kot človeški las (0,002 mm). Ne samo, da nima tipičnih pomanjkljivosti, ampak zagotavlja tudi veliko boljšo kakovost slike kot dragi optični sistemi.
Capassova leča za razliko od tipičnih konveksnih leč, ki upogibajo in razpršijo svetlobo, spreminja lastnosti svetlobnega vala zaradi mikroskopskih struktur, ki štrlijo iz površine, nanesene na kremenovo steklo. Vsaka taka roba različno lomi svetlobo in spremeni svojo smer. Zato je pomembno pravilno razporediti takšno nanostrukturo (vzorec), ki je računalniško oblikovana in izdelana po metodah, podobnih računalniškim procesorjem. To pomeni, da lahko tovrstne leče izdelujejo v istih tovarnah kot prej z uporabo znanih proizvodnih postopkov. Za brizganje se uporablja titanov dioksid.
Omeniti velja še eno inovativno rešitev »meta-optike«. metamaterialne hiperlečeposneto na ameriški univerzi v Buffalu. Prve različice hiperleč so bile izdelane iz srebra in dielektričnega materiala, vendar so delovale le v zelo ozkem območju valovnih dolžin. Znanstveniki iz Buffala so uporabili koncentrično razporeditev zlatih palic v termoplastičnem ohišju. Deluje v območju valovnih dolžin vidne svetlobe. Raziskovalci ponazarjajo povečanje ločljivosti, ki je posledica nove rešitve, z uporabo medicinskega endoskopa kot primera. Običajno prepozna predmete do 10 nanometrov, po namestitvi hiperleč pa se "spusti" na 250 nanometrov. Zasnova premaga problem difrakcije, pojav, ki bistveno zmanjša ločljivost optičnih sistemov – namesto valovnega popačenja se ti pretvorijo v valove, ki jih je mogoče posneti v naslednjih optičnih napravah.
Glede na publikacijo v Nature Communications se ta metoda lahko uporablja na številnih področjih, od medicine do opazovanj posameznih molekul. Primerno je počakati na konkretne naprave na osnovi metamaterialov. Morda bodo omogočili virtualni resničnosti, da končno doseže pravi uspeh. Kar zadeva "optične računalnike", so to še precej oddaljene in nejasne možnosti. Ničesar pa ni mogoče izključiti ...
