»Nevidne kapice« so še vedno nevidne

Najnovejši v seriji »ogrinjalov nevidnosti« je tisti, rojen na univerzi v Rochestru (1), ki uporablja ustrezen optični sistem. Vendar skeptiki temu pravijo nekakšen iluzionistični trik ali poseben učinek, pri katerem pameten sistem leč lomi svetlobo in vara opazovalčev vid.

Za vsem se skriva precej napredna matematika – znanstveniki jo morajo uporabiti, da bi ugotovili, kako nastaviti obe leči, da se svetloba lomi na tak način, da lahko skrijeta predmet neposredno za njima. Ta rešitev ne deluje samo, če gledate neposredno v leče – dovolj je kot 15 stopinj ali drug.

1. "Invisibility Cap" z Univerze v Rochestru.

Uporablja se lahko v avtomobilih za odpravo slepih kotov v ogledalih ali v operacijskih sobah, kar omogoča kirurgom, da vidijo skozi svoje roke. To je še eno v dolgi vrsti razkritij o nevidna tehnologijaki so prišli k nam v zadnjih letih.

Leta 2012 smo že slišali za "Cap of Invisibility" z ameriške univerze Duke. Le najbolj radovedni so takrat brali, da gre za nevidnost majhnega cilindra v drobnem fragmentu mikrovalovnega spektra. Leto prej so uradniki Duke poročali o tehnologiji prikritega sonarja, ki se v nekaterih krogih morda zdi obetavna.

Na žalost je bilo nevidnost le z določenega vidika in v ozkem obsegu, zaradi česar je bila tehnologija malo uporabna. Leta 2013 so neutrudni inženirji pri Dukeu predlagali 3D tiskano napravo, ki je zakamuflirala predmet, nameščen v notranjosti, z mikro luknjami v strukturi (2). Vendar se je to spet zgodilo v omejenem obsegu valov in le z določenega vidika.

Fotografije, objavljene na internetu, so bile videti obetavno kanadsko podjetje Hyperstealth, ki je bilo leta 2012 oglaševano pod intrigantnim imenom Quantum Stealth (3). Na žalost delovni prototipi niso bili nikoli prikazani, niti ni bilo razloženo, kako deluje. Podjetje kot razlog navaja varnostne težave in kriptično poroča, da pripravlja tajne različice izdelka za vojsko.

Sprednji monitor, zadnja kamera

Prvi modernikapa za nevidnost» Pred desetimi leti ga je predstavil japonski inženir prof. Susumu Tachi z univerze v Tokiu. Uporabil je kamero, nameščeno za moškim, oblečenim v plašč, ki je bil tudi monitor. Nanjo je bila projicirana slika iz zadnje kamere. Človek v plašču je bil "neviden". Podoben trik uporablja tudi maskirna naprava za vozila Adaptiv, ki jo je v prejšnjem desetletju predstavil BAE Systems (4).

Prikazuje infrardečo sliko "od zadaj" na oklepu tanka. Takšnega stroja preprosto ni videti v opazovalnih napravah. Ideja o maskiranju predmetov se je oblikovala leta 2006. John Pendry z Imperial College London, David Schurig in David Smith z univerze Duke so objavili teorijo "transformacijske optike" v reviji Science in predstavili, kako deluje v primeru mikrovalov (daljših valovnih dolžin od vidne svetlobe).

2. "Pokrov za nevidnost", natisnjen v treh dimenzijah.

S pomočjo ustreznih metamaterialov se lahko elektromagnetno valovanje upogne tako, da zaobide okoliški predmet in se vrne na svojo trenutno pot. Parameter, ki označuje splošno optično reakcijo medija, je lomni količnik, ki določa, kolikokrat počasneje kot v vakuumu se svetloba premika v tem mediju. Izračunamo ga kot koren produkta relativne električne in magnetne prepustnosti.

relativna električna prepustnost; določa, kolikokrat je sila električne interakcije v dani snovi manjša od interakcijske sile v vakuumu. Zato je to merilo, kako močno se električni naboji znotraj snovi odzivajo na zunanje električno polje. Večina snovi ima pozitivno prepustnost, kar pomeni, da ima polje, ki ga spremeni snov, še vedno enak pomen kot zunanje polje.

Relativna magnetna prepustnost m določa, kako se magnetno polje spreminja v prostoru, napolnjenem z danim materialom, v primerjavi z magnetnim poljem, ki bi obstajalo v vakuumu z istim zunanjim virom magnetnega polja. Za vse naravno prisotne snovi je relativna magnetna permeabilnost pozitivna. Za prosojne medije, kot sta steklo ali voda, so vse tri količine pozitivne.

Nato se svetloba, ki prehaja iz vakuuma ali zraka (parametri zraka se le malo razlikujejo od vakuuma) v medij, lomi po lomnem zakonu in razmerje med sinusom vpadnega kota in sinusom lomnega kota je enak lomnemu količniku tega medija. Vrednost je manjša od nič; in m pomeni, da se elektroni znotraj medija premikajo v nasprotni smeri od sile, ki jo ustvarja električno ali magnetno polje.

Točno to se dogaja v kovinah, v katerih se plin prostih elektronov podvrže lastnim nihanjem. Če frekvenca elektromagnetnega valovanja ne presega frekvence teh naravnih nihanj elektronov, potem ta nihanja tako učinkovito zaslonijo električno polje valovanja, da mu ne dovolijo, da bi prodrl globoko v kovino in celo ustvari nasprotno usmerjeno polje. na zunanje polje.

Posledično je prepustnost takega materiala negativna. Ker ne more prodreti globoko v kovino, se elektromagnetno sevanje odbija od površine kovine, sama kovina pa pridobi značilen lesk. Kaj pa, če bi bili obe vrsti prepustnosti negativni? To vprašanje je leta 1967 postavil ruski fizik Viktor Veselago. Izkazalo se je, da je lomni količnik takšnega medija negativen in se svetloba lomi na povsem drugačen način, kot izhaja iz običajnega lomnega zakona.

5. Negativni lom na površini metamateriala - vizualizacija

Nato se energija elektromagnetnega vala prenese naprej, vendar se maksimumi elektromagnetnega valovanja premikajo v nasprotni smeri od oblike impulza in prenesene energije. Takšni materiali v naravi ne obstajajo (ni snovi z negativno magnetno prepustnostjo). Šele v omenjeni publikaciji iz leta 2006 in v številnih drugih publikacijah, ki so nastale v naslednjih letih, je bilo mogoče opisati in zato zgraditi umetne strukture z negativnim lomnim količnikom (5).

Imenujejo se metamateriali. Grška predpona "meta" pomeni "po", torej gre za strukture iz naravnih materialov. Metamateriali pridobijo lastnosti, ki jih potrebujejo, z izgradnjo majhnih električnih vezij, ki posnemajo magnetne ali električne lastnosti materiala. Številne kovine imajo negativno električno prepustnost, zato je dovolj, da pustimo prostor za elemente, ki dajejo negativen magnetni odziv.

Namesto homogene kovine je na ploščo iz izolacijskega materiala pritrjenih veliko tankih kovinskih žic, razporejenih v obliki kubične mreže. S spreminjanjem premera žic in razdalje med njimi je mogoče prilagoditi vrednosti frekvence, pri katerih bo konstrukcija imela negativno električno prepustnost. Za doseganje negativne magnetne prepustnosti v najpreprostejšem primeru je zasnova sestavljena iz dveh zlomljenih obročev iz dobrega prevodnika (na primer zlata, srebra ali bakra) in ločenih s plastjo drugega materiala.

Tak sistem se imenuje resonator s split ring - skrajšano SRR, iz angleščine. Resonator z razcepljenim obročem (6). Zaradi rež v obročkih in razdalje med njimi ima določeno kapacitivnost, kot kondenzator, in ker so obroči izdelani iz prevodnega materiala, ima tudi določeno induktivnost, t.j. sposobnost ustvarjanja tokov.

Spremembe v zunanjem magnetnem polju zaradi elektromagnetnega vala povzročijo, da v obročkih teče tok, ta tok pa ustvari magnetno polje. Izkazalo se je, da je z ustrezno zasnovo magnetno polje, ki ga ustvari sistem, usmerjeno nasprotno zunanjemu polju. Posledica tega je negativna magnetna prepustnost materiala, ki vsebuje takšne elemente. Z nastavitvijo parametrov metamaterialnega sistema lahko dobimo negativen magnetni odziv v dokaj širokem območju valovnih frekvenc.

meta - zgradba

Sanje oblikovalcev so zgraditi sistem, v katerem bi valovi idealno tekli okoli objekta (7). Leta 2008 so znanstveniki na kalifornijski univerzi Berkeley prvič v zgodovini ustvarili tridimenzionalne materiale z negativnim lomnim količnikom za vidno in skoraj infrardečo svetlobo, pri čemer so upogibali svetlobo v smeri, nasprotni njeni naravni smeri. Ustvarili so nov metamaterial s kombinacijo srebra z magnezijevim fluoridom.

Nato se razreže v matriko, sestavljeno iz miniaturnih igel. Pojav negativne refrakcije so opazili pri valovnih dolžinah 1500 nm (bližnje infrardeče). V začetku leta 2010 so Tolga Ergin s tehnološkega inštituta Karlsruhe in sodelavci na Imperial College London ustvarili neviden svetlobna zavesa. Raziskovalci so uporabili materiale, ki so na voljo na trgu.

Uporabili so fotonske kristale, položene na površino, da prekrijejo mikroskopsko izboklino na zlati plošči. Tako je bil metamaterial ustvarjen iz posebnih leč. Leče nasproti grbi na plošči so nameščene tako, da z odklonom dela svetlobnih valov odpravijo razpršitev svetlobe na izboklini. Z opazovanjem plošče pod mikroskopom z uporabo svetlobe z valovno dolžino, ki je blizu vidne svetlobe, so znanstveniki videli ravno ploščo.

Kasneje so raziskovalci z univerze Duke in Imperial College London uspeli pridobiti negativni odsev mikrovalovnega sevanja. Za dosego tega učinka morajo biti posamezni elementi strukture metamateriala manjši od valovne dolžine svetlobe. Gre torej za tehnični izziv, ki zahteva izdelavo zelo majhnih metamaterialnih struktur, ki ustrezajo valovni dolžini svetlobe, ki naj bi jo lomile.

Vidna svetloba (vijolična do rdeča) ima valovno dolžino od 380 do 780 nanometrov (nanometer je milijarda metra). Na pomoč so priskočili nanotehnologi s škotske univerze St. Andrews. Dobili so eno plast izredno gosto mrežastega metamateriala. Strani New Journal of Physics opisujejo metaflex, ki lahko upogiba valovne dolžine približno 620 nanometrov (oranžno-rdeča svetloba).

Leta 2012 se je skupina ameriških raziskovalcev na Univerzi v Teksasu v Austinu domislila povsem drugega trika z uporabo mikrovalovne pečice. Cilinder s premerom 18 cm je bil prevlečen s plazemskim materialom z negativno impedanco, kar omogoča manipulacijo lastnosti. Če ima ravno nasprotne optične lastnosti skritega predmeta, ustvari nekakšen »negativ«.

Tako se oba vala prekrivata in predmet postane neviden. Posledično lahko material upogne več različnih frekvenčnih območij valovanja, tako da tečejo okoli predmeta in se zbližajo na drugi strani le-tega, kar zunanjemu opazovalcu morda ni opazno. Teoretični koncepti se množijo.

Pred približno ducatom mesecev je Advanced Optical Materials objavil članek o morebitni prelomni študiji znanstvenikov na Univerzi Central Florida. Kdo ve, če jim ni uspelo preseči obstoječih omejitev na "nevidni klobuki» Zgrajeno iz metamaterialov. Po informacijah, ki so jih objavili, je možno izginotje predmeta v območju vidne svetlobe.

7. Teoretični načini upogibanja svetlobe na nevidni predmet

Debashis Chanda in njegova ekipa opisujeta uporabo metamateriala s tridimenzionalno strukturo. Dobiti ga je bilo mogoče zahvaljujoč t.i. nanotransferni tisk (NTP), ki proizvaja kovinsko-dielektrične trakove. Lomni količnik je mogoče spremeniti z metodami nanoinženiringa. Pot širjenja svetlobe je treba nadzorovati v tridimenzionalni površinski strukturi materiala z uporabo metode elektromagnetne resonance.

Znanstveniki so pri svojih sklepih zelo previdni, a iz opisa njihove tehnologije je povsem jasno, da so prevleke iz takšnega materiala sposobne v veliki meri odkloniti elektromagnetne valove. Poleg tega način pridobivanja novega materiala omogoča izdelavo velikih površin, zaradi česar so nekateri sanjali o borcih, prekritih s takšno kamuflažo, ki bi jim zagotovila nevidnost popolno, od radarja do dnevne svetlobe.

Naprave za prikrivanje, ki uporabljajo metamateriale ali optične tehnike, ne povzročijo dejanskega izginotja predmetov, temveč le njihovo nevidnost za orodja za odkrivanje, kmalu pa morda tudi za oko. Vendar pa že obstajajo bolj radikalne ideje. Jeng Yi Lee in Ray-Kuang Lee s tajvanske nacionalne univerze Tsing Hua sta predlagala teoretični koncept kvantnega "plašča nevidnosti", ki je sposoben odstraniti predmete ne le iz vidnega polja, ampak tudi iz realnosti kot celote.

To bo delovalo podobno kot zgoraj, vendar bo namesto Maxwellovih enačb uporabljena Schrödingerjeva enačba. Bistvo je raztegniti verjetnostno polje predmeta tako, da je enako nič. Teoretično je to mogoče na mikroskali. Na tehnološke možnosti izdelave takšne prevleke pa bo treba čakati dolgo. Kot vsak"kapa za nevidnost»Kar lahko rečemo, da je res nekaj skrivala pred našim pogledom.