Novi metamaterijali: svjetlo pod kontrolom
Mnoga izvješća o "metamaterijalima" (pod navodnicima, jer se definicija počinje zamagljivati) tjeraju nas da razmišljamo o njima kao o gotovo panaceji za sve probleme, bolove i ograničenja s kojima se susreće suvremeni svijet tehnologije. Najzanimljiviji koncepti u posljednje vrijeme tiču se optičkih računala i virtualne stvarnosti.
u vezi hipotetička računala budućnostikao primjer može se navesti istraživanje stručnjaka s izraelskog TAU sveučilišta u Tel Avivu. Dizajniraju višeslojne nanomaterijale koji bi se trebali koristiti za izradu optičkih računala. Zauzvrat, istraživači sa švicarskog instituta Paul Scherrer izgradili su trofaznu tvar od milijardu minijaturnih magneta sposobnih za simulirati tri agregatna stanja, po analogiji s vodom.
Za što se može koristiti? Izraelci žele graditi. Švicarci govore o prijenosu i snimanju podataka, kao i općenito o spintronici.
Trofazni metamaterijal napravljen od minimagneta koji oponaša tri stanja vode.
Fotoni na zahtjev
Istraživanja znanstvenika iz Nacionalnog laboratorija Lawrence Berkeley pri Ministarstvu energetike mogu dovesti do razvoja optičkih računala temeljenih na metamaterijalima. Oni predlažu stvaranje svojevrsnog laserskog okvira koji može uhvatiti određene pakete atoma na određenom mjestu, stvarajući strogo dizajniran, kontroliran struktura na bazi svjetla. Podsjeća na prirodne kristale. S jednom razlikom - gotovo je savršen, nema nedostataka u prirodnim materijalima.
Znanstvenici vjeruju da ne samo da će moći čvrsto kontrolirati položaj skupina atoma u svom "svjetlosnom kristalu", već i aktivno utjecati na ponašanje pojedinih atoma pomoću drugog lasera (blizu infracrvenog raspona). Natjerat će ih, primjerice, na zahtjev da emitiraju određenu energiju - čak i jedan foton, koji, kada se ukloni s jednog mjesta u kristalu, može djelovati na atom zarobljen u drugom. Bit će to svojevrsna jednostavna razmjena informacija.
Sposobnost brzog oslobađanja fotona na kontroliran način i prijenosa s malim gubicima s jednog atoma na drugi važan je korak obrade informacija za kvantno računanje. Može se zamisliti korištenje čitavih nizova kontroliranih fotona za izvođenje vrlo složenih proračuna – puno brže od korištenja modernih računala. Atomi ugrađeni u umjetni kristal također bi mogli skakati s jednog mjesta na drugo. U tom bi slučaju oni sami postali nositelji informacija u kvantnom računalu ili bi mogli stvoriti kvantni senzor.
Znanstvenici su otkrili da su atomi rubidija idealni za svoje potrebe. Međutim, atomi barija, kalcija ili cezija također mogu biti zarobljeni umjetnim laserskim kristalom jer imaju slične energetske razine. Kako bi predloženi metamaterijal napravio u pravom eksperimentu, istraživački bi tim morao uhvatiti nekoliko atoma u umjetnoj kristalnoj rešetki i zadržati ih tamo čak i kada su uzbuđeni do viših energetskih stanja.
Virtualna stvarnost bez optičkih nedostataka
Metamaterijal bi mogao naći korisne primjene u drugom području tehnologije u razvoju -. Virtualna stvarnost ima mnogo različitih ograničenja. Nesavršenosti nam poznate optike igraju značajnu ulogu. Praktički je nemoguće izgraditi savršen optički sustav, jer uvijek postoje takozvane aberacije, t.j. izobličenje valova uzrokovano raznim čimbenicima. Svjesni smo sfernih i kromatskih aberacija, astigmatizma, kome i mnogih, mnogih drugih štetnih učinaka optike. Svatko tko je koristio setove virtualne stvarnosti morao se suočiti s tim fenomenima. Nemoguće je dizajnirati VR optiku koja je lagana, proizvodi visokokvalitetne slike, nema vidljivu dugu (kromatske aberacije), daje veliko vidno polje i bude jeftina. Ovo je jednostavno nestvarno.
Zato proizvođači VR opreme Oculus i HTC koriste ono što se zove Fresnel leće. To vam omogućuje da dobijete znatno manju težinu, eliminirate kromatske aberacije i dobijete relativno nisku cijenu (materijal za proizvodnju takvih leća je jeftin). Nažalost, lomni prstenovi uzrokuju w Fresnelove leće značajan pad kontrasta i stvaranje centrifugalnog sjaja, što je posebno uočljivo tamo gdje scena ima veliki kontrast (crna pozadina).
Međutim, nedavno su se znanstvenici sa Sveučilišta Harvard, predvođeni Federicom Capassom, uspjeli razviti tanka i ravna leća pomoću metamaterijala. Sloj nanostrukture na staklu tanji je od ljudske kose (0,002 mm). Ne samo da nema tipične nedostatke, već pruža i puno bolju kvalitetu slike od skupih optičkih sustava.
Capasso leća, za razliku od tipičnih konveksnih leća koje savijaju i raspršuju svjetlost, mijenja svojstva svjetlosnog vala zbog mikroskopskih struktura koje strše iz površine, taložene na kvarcno staklo. Svaka takva izbočina drugačije lomi svjetlost, mijenjajući svoj smjer. Stoga je važno pravilno distribuirati takvu nanostrukturu (uzorak) koja je računalno dizajnirana i proizvedena metodama sličnim računalnim procesorima. To znači da se ova vrsta leća može proizvoditi u istim tvornicama kao i prije, koristeći poznate proizvodne procese. Za raspršivanje se koristi titanov dioksid.
Vrijedi spomenuti još jedno inovativno rješenje "meta-optike". metamaterijalne hiperlećesnimljeno na Američkom sveučilištu u Buffalu. Prve verzije hiperleća bile su izrađene od srebra i dielektričnog materijala, ali su radile samo u vrlo uskom rasponu valnih duljina. Znanstvenici iz Buffala koristili su koncentrični raspored zlatnih šipki u termoplastičnom kućištu. Djeluje u rasponu valnih duljina vidljive svjetlosti. Istraživači ilustriraju povećanje rezolucije koje je rezultat novog rješenja koristeći medicinski endoskop kao primjer. Obično prepoznaje objekte veličine do 10 nanometara, a nakon instaliranja hiperleća "spušta" se na 250 nanometara. Dizajn prevladava problem difrakcije, fenomena koji značajno smanjuje razlučivost optičkih sustava – umjesto izobličenja valova, oni se pretvaraju u valove koji se mogu zabilježiti u kasnijim optičkim uređajima.
Prema publikaciji u Nature Communications, ova se metoda može koristiti u mnogim područjima, od medicine do promatranja pojedinačnih molekula. Prikladno je čekati betonske uređaje na bazi metamaterijala. Možda će omogućiti virtualnoj stvarnosti da konačno postigne pravi uspjeh. Što se tiče "optičkih računala", to su još uvijek prilično daleke i nejasne perspektive. Međutim, ništa se ne može isključiti...
