"Kape nevidljivosti" su i dalje nevidljive

Posljednji u nizu "ogrtača nevidljivosti" je onaj rođen na Sveučilištu Rochester (1), koji koristi odgovarajući optički sustav. Međutim, skeptici to nazivaju nekom vrstom iluzionističkog trika ili specijalnog efekta, u kojem pametni sustav leća lomi svjetlost i vara vid promatrača.

Iza svega stoji prilično napredna matematika — znanstvenici je moraju upotrijebiti kako bi pronašli kako namjestiti dvije leće tako da se svjetlost lomi na takav način da mogu sakriti objekt izravno iza njih. Ovo rješenje funkcionira ne samo kada gledate izravno u leće - dovoljan je kut od 15 stupnjeva ili drugi.

1. "Kapa nevidljivosti" sa Sveučilišta u Rochesteru.

Može se koristiti u automobilima za uklanjanje mrtvih kutova u ogledalima ili u operacijskim dvoranama, omogućujući kirurzima da vide kroz svoje ruke. Ovo je još jedno u dugom nizu otkrića o nevidljiva tehnologijakoje su nam stigle posljednjih godina.

Već smo 2012. čuli za "Kapu nevidljivosti" američkog sveučilišta Duke. Samo su najradoznaliji tada čitali da je riječ o nevidljivosti malog cilindra u sićušnom djeliću mikrovalnog spektra. Godinu dana ranije, dužnosnici Dukea izvijestili su o sonarnoj stealth tehnologiji koja se u nekim krugovima može činiti obećavajućom.

Nažalost, bilo je nevidljivost samo s određene točke gledišta iu uskom opsegu, što je tehnologiju učinilo malo korisnom. Godine 2013. neumorni inženjeri u Dukeu predložili su 3D tiskani uređaj koji je kamuflirao objekt smješten unutra mikrorupama u strukturi (2). Međutim, opet, to se dogodilo u ograničenom rasponu valova i samo s određene točke gledišta.

Na fotografijama objavljenim na internetu obećavajuće izgleda ogrtač kanadske tvrtke Hyperstealth, koja se 2012. godine reklamirala pod intrigantnim imenom Quantum Stealth (3). Nažalost, radni prototipovi nikada nisu demonstrirani, niti je objašnjeno kako to radi. Tvrtka kao razlog navodi sigurnosne probleme i zagonetno izvještava da priprema tajne verzije proizvoda za vojsku.

Prednji monitor, stražnja kamera

Prvi moderninevidljiva kapa» Prije deset godina predstavio ga je japanski inženjer prof. Susumu Tachi sa Sveučilišta u Tokiju. Koristio je kameru postavljenu iza čovjeka u kaputu koji je ujedno bio i monitor. Na njega je projicirana slika sa stražnje kamere. Čovjek u plaštu bio je "nevidljiv". Sličnim se trikom služi i uređaj za kamuflažu vozila Adaptiv koji je prošlog desetljeća predstavio BAE Systems (4).

Prikazuje infracrvenu sliku "otraga" na oklopu tenka. Takav stroj se jednostavno ne vidi u nišanskim spravama. Ideja o maskiranju predmeta nastala je 2006. John Pendry s Imperial Collegea u Londonu, David Schurig i David Smith sa Sveučilišta Duke objavili su teoriju "transformacijske optike" u časopisu Science i predstavili kako ona funkcionira u slučaju mikrovalova (dužih valnih duljina od vidljive svjetlosti).

2. "Kapa nevidljiva" otisnuta u tri dimenzije.

Uz pomoć odgovarajućih metamaterijala, elektromagnetski val se može saviti na način da zaobiđe okolni objekt i vrati se na svoju trenutnu putanju. Parametar koji karakterizira opću optičku reakciju medija je indeks loma, koji određuje koliko se puta sporije nego u vakuumu svjetlost kreće u ovom mediju. Izračunavamo ga kao korijen umnoška relativne električne i magnetske propusnosti.

relativna električna propusnost; određuje koliko je puta električna sila međudjelovanja u određenoj tvari manja od sile međudjelovanja u vakuumu. Stoga je to mjera koliko snažno električni naboji unutar tvari reagiraju na vanjsko električno polje. Većina tvari ima pozitivnu permitivnost, što znači da polje koje je promijenila tvar i dalje ima isto značenje kao i vanjsko polje.

Relativna magnetska permeabilnost m određuje kako se magnetsko polje mijenja u prostoru ispunjenom danim materijalom, u usporedbi s magnetskim poljem koje bi postojalo u vakuumu s istim vanjskim izvorom magnetskog polja. Za sve prirodne tvari relativna magnetska permeabilnost je pozitivna. Za prozirne medije kao što su staklo ili voda sve su tri veličine pozitivne.

Tada se svjetlost, prolazeći iz vakuuma ili zraka (parametri zraka tek se malo razlikuju od vakuuma) u medij, lomi prema zakonu loma i omjer sinusa kuta upada i sinusa kuta loma je jednaka indeksu loma za ovaj medij. Vrijednost je manja od nule; a m znači da se elektroni unutar medija kreću u suprotnom smjeru od sile koju stvara električno ili magnetsko polje.

To je upravo ono što se događa u metalima, u kojima slobodni elektronski plin prolazi kroz vlastite oscilacije. Ako frekvencija elektromagnetskog vala ne premašuje frekvenciju ovih prirodnih oscilacija elektrona, tada te oscilacije toliko učinkovito štite električno polje vala da mu ne dopuštaju da prodre duboko u metal i čak stvaraju polje usmjereno suprotno na vanjsko polje.

Kao rezultat toga, permitivnost takvog materijala je negativna. Budući da ne može prodrijeti duboko u metal, elektromagnetsko zračenje se odbija od površine metala, a sam metal dobiva karakterističan sjaj. Što ako su obje vrste permitivnosti negativne? To je pitanje 1967. godine postavio ruski fizičar Viktor Veselago. Pokazalo se da je indeks loma takvog medija negativan i da se svjetlost lomi na potpuno drugačiji način nego što proizlazi iz uobičajenog zakona loma.

5. Negativni lom na površini metamaterijala - vizualizacija

Tada se energija elektromagnetskog vala prenosi naprijed, ali se maksimumi elektromagnetskog vala kreću u suprotnom smjeru od oblika impulsa i prenesene energije. Takvi materijali ne postoje u prirodi (ne postoje tvari s negativnom magnetskom propusnošću). Tek u spomenutoj publikaciji iz 2006. iu mnogim drugim publikacijama nastalim u narednim godinama, bilo je moguće opisati, a time i izgraditi umjetne strukture s negativnim indeksom loma (5).

Zovu se metamaterijali. Grčki prefiks "meta" znači "poslije", to jest, to su strukture izrađene od prirodnih materijala. Metamaterijali stječu svojstva koja su im potrebna izgradnjom sićušnih električnih krugova koji oponašaju magnetska ili električna svojstva materijala. Mnogi metali imaju negativnu električnu propusnost, pa je dovoljno ostaviti mjesta za elemente koji daju negativan magnetski odgovor.

Umjesto homogenog metala, na ploču od izolacijskog materijala pričvršćeno je mnoštvo tankih metalnih žica raspoređenih u obliku kubične mreže. Promjenom promjera žica i udaljenosti između njih moguće je prilagoditi vrijednosti frekvencije pri kojima će struktura imati negativnu električnu propusnost. Da bi se dobila negativna magnetska permeabilnost u najjednostavnijem slučaju, dizajn se sastoji od dva slomljena prstena izrađena od dobrog vodiča (na primjer, zlata, srebra ili bakra) i odvojena slojem drugog materijala.

Takav sustav naziva se rezonator s podijeljenim prstenom - skraćeno SRR, od engleskog. Razdvojeni prstenasti rezonator (6). Zbog razmaka u prstenovima i razmaka između njih, on ima određeni kapacitet, poput kondenzatora, a budući da su prstenovi izrađeni od vodljivog materijala, ima i određeni induktivitet, tj. sposobnost generiranja struje.

Promjene vanjskog magnetskog polja od elektromagnetskog vala uzrokuju protok struje u prstenima, a ta struja stvara magnetsko polje. Ispada da je s odgovarajućim dizajnom magnetsko polje koje stvara sustav usmjereno suprotno od vanjskog polja. To rezultira negativnom magnetskom propusnošću materijala koji sadrži takve elemente. Postavljanjem parametara metamaterijalnog sustava može se dobiti negativan magnetski odziv u prilično širokom rasponu valnih frekvencija.

meta - zgrada

San dizajnera je izgraditi sustav u kojem bi valovi idealno strujali oko objekta (7). Godine 2008. znanstvenici s kalifornijskog sveučilišta Berkeley po prvi su put u povijesti stvorili trodimenzionalne materijale koji imaju negativan indeks loma za vidljivu i blisku infracrvenu svjetlost, savijajući svjetlost u smjeru suprotnom od prirodnog smjera. Stvorili su novi metamaterijal kombinirajući srebro s magnezijevim fluoridom.

Zatim se izreže u matricu koja se sastoji od minijaturnih iglica. Fenomen negativne refrakcije uočen je na valnim duljinama od 1500 nm (blizu infracrvenog). Početkom 2010. Tolga Ergin s Tehnološkog instituta Karlsruhe i kolege s Imperial Collegea u Londonu stvorili su nevidljiv svjetlosna zavjesa. Istraživači su koristili materijale dostupne na tržištu.

Koristili su fotonske kristale položene na površinu kako bi prekrili mikroskopsku izbočinu na zlatnoj ploči. Tako je metamaterijal stvoren od posebnih leća. Leće nasuprot grbi na pločici smještene su tako da odbijanjem dijela svjetlosnih valova eliminiraju raspršenje svjetlosti na izbočini. Promatrajući ploču pod mikroskopom, koristeći svjetlo valne duljine bliske vidljivoj svjetlosti, znanstvenici su vidjeli ravnu ploču.

Kasnije su istraživači sa Sveučilišta Duke i Imperial Collegea u Londonu uspjeli dobiti negativan odraz mikrovalnog zračenja. Da bi se postigao ovaj učinak, pojedinačni elementi strukture metamaterijala moraju biti manji od valne duljine svjetlosti. Dakle, to je tehnički izazov koji zahtijeva proizvodnju vrlo malih metamaterijalnih struktura koje odgovaraju valnoj duljini svjetlosti koju bi trebale lomiti.

Vidljiva svjetlost (ljubičasta do crvena) ima valnu duljinu od 380 do 780 nanometara (nanometar je jedan milijarditi dio metra). U pomoć su priskočili nanotehnolozi sa škotskog sveučilišta St. Andrews. Dobili su jedan sloj izrazito gustog mrežastog metamaterijala. Stranice New Journal of Physics opisuju metaflex sposoban savijati valne duljine od oko 620 nanometara (narančasto-crveno svjetlo).

Godine 2012. grupa američkih istraživača sa Sveučilišta Texas u Austinu došla je do potpuno drugačijeg trika koristeći mikrovalove. Cilindar promjera 18 cm obložen je plazma materijalom negativne impedancije, što omogućuje manipulaciju svojstvima. Ako ima upravo suprotna optička svojstva od skrivenog predmeta, stvara neku vrstu "negativa".

Tako se dva vala preklapaju i objekt postaje nevidljiv. Kao rezultat toga, materijal može savijati nekoliko različitih frekvencijskih raspona vala tako da oni teku oko objekta, konvergirajući na njegovoj drugoj strani, što možda neće biti vidljivo promatraču izvana. Teorijski koncepti se množe.

Prije otprilike desetak mjeseci, Advanced Optical Materials objavio je članak o možda revolucionarnoj studiji znanstvenika sa Sveučilišta Central Florida. Tko zna jesu li uspjeli prevladati postojeća ograničenja na "nevidljive kape» Izgrađen od metamaterijala. Prema informacijama koje su objavili, moguć je nestanak objekta u području vidljivog svjetla.

7. Teorijski načini savijanja svjetlosti na nevidljivom objektu

Debashis Chanda i njegov tim opisuju upotrebu metamaterijala s trodimenzionalnom strukturom. Bilo ga je moguće dobiti zahvaljujući tzv. nanotransfer printing (NTP), koji proizvodi metal-dielektrične trake. Indeks loma se može promijeniti metodama nanoinženjeringa. Put širenja svjetlosti mora se kontrolirati u trodimenzionalnoj površinskoj strukturi materijala pomoću metode elektromagnetske rezonancije.

Znanstvenici su vrlo oprezni u svojim zaključcima, ali iz opisa njihove tehnologije sasvim je jasno da su premazi od takvog materijala sposobni u velikoj mjeri odbiti elektromagnetske valove. Osim toga, način dobivanja novog materijala omogućuje proizvodnju velikih površina, zbog čega su neki sanjali o borcima prekrivenim takvom kamuflažom koja bi im omogućila nevidljivost kompletan, od radara do dnevnog svjetla.

Uređaji za prikrivanje koji koriste metamaterijale ili optičke tehnike ne uzrokuju stvarni nestanak objekata, već samo njihovu nevidljivost alatima za otkrivanje, a uskoro, možda, i oku. Međutim, već postoje radikalnije ideje. Jeng Yi Lee i Ray-Kuang Lee s Nacionalnog tajvanskog sveučilišta Tsing Hua predložili su teorijski koncept kvantne "kape nevidljivosti" koja može ukloniti objekte ne samo iz vidnog polja, već i iz stvarnosti u cjelini.

Ovo će djelovati slično onome što je gore spomenuto, ali će se koristiti Schrödingerova jednadžba umjesto Maxwellovih jednadžbi. Poanta je rastegnuti polje vjerojatnosti objekta tako da ono bude jednako nuli. Teoretski, to je moguće na mikroskali. Međutim, trebat će dugo čekati na tehnološke mogućnosti izrade takvog pokrova. Kao i svaki"nevidljiva kapa“Što se može reći da je doista nešto skrivala od našeg pogleda.