Nye metamaterialer: lys under kontroll

Mange rapporter om "metamaterialer" (i anførselstegn, fordi definisjonen begynner å bli uklar) får oss til å tenke på dem som nesten et universalmiddel for alle problemene, smertene og begrensningene som den moderne teknologiverdenen står overfor. De mest interessante konseptene i det siste gjelder optiske datamaskiner og virtuell virkelighet.

i et forhold hypotetiske fremtidens datamaskinereksempler inkluderer studier av spesialister fra det israelske TAU-universitetet i Tel Aviv. De designer flerlags nanomaterialer som skal brukes til å lage optiske datamaskiner. På sin side bygde forskere fra det sveitsiske Paul Scherrer-instituttet et trefasestoff fra en milliard miniatyrmagneter som er i stand til å simulere tre aggregerte tilstander, analogt med vann.

Hva kan den brukes til? Israelerne ønsker å bygge. Sveitserne snakker om dataoverføring og opptak, samt spintronikk generelt.

Et trefaset metamateriale laget av minimagneter som etterligner de tre vanntilstandene.

Fotoner på forespørsel

Forskning utført av forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory ved Department of Energy kan føre til utvikling av optiske datamaskiner basert på metamaterialer. De foreslår å lage et slags laserrammeverk som kan fange opp visse pakker med atomer på et bestemt sted, og skape et strengt designet, kontrollert lysbasert struktur. Det ligner naturlige krystaller. Med en forskjell - det er nesten perfekt, ingen defekter observeres i naturlige materialer.

Forskere tror at de ikke bare vil være i stand til å kontrollere posisjonen til grupper av atomer i deres "lette krystall", men også aktivt påvirke oppførselen til individuelle atomer ved hjelp av en annen laser (nær infrarød rekkevidde). De vil få dem til, for eksempel på forespørsel, å sende ut en viss energi – til og med et enkelt foton, som, når det fjernes fra ett sted i krystallen, kan virke på et atom fanget i et annet. Det blir en slags enkel utveksling av informasjon.

Evnen til raskt å frigjøre et foton på en kontrollert måte og overføre det med lite tap fra ett atom til et annet er et viktig informasjonsbehandlingstrinn for kvanteberegning. Man kan tenke seg å bruke hele rekker av kontrollerte fotoner for å utføre svært komplekse beregninger – mye raskere enn å bruke moderne datamaskiner. Atomer innebygd i en kunstig krystall kan også hoppe fra ett sted til et annet. I dette tilfellet vil de selv bli informasjonsbærere i en kvantedatamaskin eller kunne lage en kvantesensor.

Forskere har funnet ut at rubidiumatomer er ideelle for deres formål. Imidlertid kan barium-, kalsium- eller cesiumatomer også fanges opp av en kunstig laserkrystall fordi de har lignende energinivåer. For å lage det foreslåtte metamaterialet i et ekte eksperiment, måtte forskerteamet fange noen få atomer i et kunstig krystallgitter og holde dem der selv når de er begeistret for høyere energitilstander.

Virtuell virkelighet uten optiske defekter

Metamaterialer kan finne nyttige applikasjoner i et annet utviklingsområde av teknologi -. Virtual reality har mange forskjellige begrensninger. Ufullkommenhetene i optikken vi kjenner til spiller en betydelig rolle. Det er praktisk talt umulig å bygge et perfekt optisk system, fordi det alltid er såkalte aberrasjoner, dvs. bølgeforvrengning forårsaket av ulike faktorer. Vi er klar over sfæriske og kromatiske aberrasjoner, astigmatisme, koma og mange, mange andre uheldige effekter av optikk. Alle som har brukt virtual reality-sett må ha taklet disse fenomenene. Det er umulig å designe VR-optikk som er lett, produserer bilder av høy kvalitet, har ingen synlig regnbue (kromatiske aberrasjoner), gir et stort synsfelt og er billig. Dette er bare uvirkelig.

Det er derfor VR-utstyrsprodusentene Oculus og HTC bruker det som kalles Fresnel-linser. Dette lar deg få betydelig mindre vekt, eliminere kromatiske aberrasjoner og få en relativt lav pris (materialet for produksjon av slike linser er billig). Dessverre forårsaker brytningsringer w Fresnel linser et betydelig fall i kontrast og dannelsen av en sentrifugalglød, noe som er spesielt merkbart der scenen har høy kontrast (svart bakgrunn).

Nylig klarte imidlertid forskere fra Harvard University, ledet av Federico Capasso, å utvikle seg tynn og flat linse ved hjelp av metamaterialer. Nanostrukturlaget på glass er tynnere enn et menneskehår (0,002 mm). Ikke bare har den ikke de typiske ulempene, men den gir også mye bedre bildekvalitet enn dyre optiske systemer.

Capasso-linsen, i motsetning til typiske konvekse linser som bøyer og sprer lys, endrer egenskapene til lysbølgen på grunn av mikroskopiske strukturer som stikker ut fra overflaten, avsatt på kvartsglass. Hver slik avsats bryter lys forskjellig, og endrer retning. Derfor er det viktig å distribuere en slik nanostruktur (mønster) riktig som er datadesignet og produsert ved bruk av metoder som ligner på dataprosessorer. Dette betyr at denne typen linser kan produseres i de samme fabrikkene som før, ved bruk av kjente produksjonsprosesser. Titandioksid brukes til sputtering.

Det er verdt å nevne en annen innovativ løsning av "meta-optikk". metamateriale hyperlinsertatt ved American University i Buffalo. De første versjonene av hyperlinser var laget av sølv og et dielektrisk materiale, men de fungerte bare i et veldig smalt bølgelengdeområde. Buffalo-forskerne brukte et konsentrisk arrangement av gullstenger i et termoplasthus. Den fungerer i bølgelengdeområdet for synlig lys. Forskerne illustrerer økningen i oppløsning som følge av den nye løsningen ved å bruke et medisinsk endoskop som eksempel. Den gjenkjenner vanligvis objekter på opptil 10 250 nanometer, og etter å ha installert hyperlinser "faller" den ned til XNUMX nanometer. Designet overvinner problemet med diffraksjon, et fenomen som reduserer oppløsningen til optiske systemer betydelig - i stedet for bølgeforvrengning, blir de konvertert til bølger som kan registreres i påfølgende optiske enheter.

Ifølge en publikasjon i Nature Communications kan denne metoden brukes på mange områder, fra medisin til enkeltmolekylobservasjoner. Det er hensiktsmessig å vente på betongenheter basert på metamaterialer. Kanskje vil de tillate virtuell virkelighet å endelig oppnå reell suksess. Når det gjelder "optiske datamaskiner", er disse fortsatt ganske fjerne og vage prospekter. Men ingenting kan utelukkes...