"Invisibility Caps" er fortsatt usynlige

Den siste i rekken av "usynlighetskapsler" er den som er født ved University of Rochester (1), som bruker det passende optiske systemet. Imidlertid kaller skeptikere det et slags illusjonistisk triks eller spesialeffekt, der et smart linsesystem bryter lys og lurer observatørens syn.

Det er ganske avansert matematikk bak det hele – forskere må bruke det til å finne hvordan de skal sette opp de to linsene slik at lyset brytes på en slik måte at de kan skjule objektet rett bak dem. Denne løsningen fungerer ikke bare når du ser direkte på linsene - en vinkel på 15 grader eller en annen er nok.

1. "Invisibility Cap" fra University of Rochester.

Den kan brukes i biler for å eliminere blindsoner i speil eller på operasjonsrom, slik at kirurger kan se gjennom hendene. Dette er en annen i en lang rekke avsløringer om usynlig teknologisom har kommet til oss de siste årene.

I 2012 hørte vi allerede om «Cap of Invisibility» fra American Duke University. Bare de mest nysgjerrige leste da at det handlet om usynligheten til en liten sylinder i et bitte lite fragment av mikrobølgespekteret. Et år tidligere rapporterte Duke-tjenestemenn om sonar-stealth-teknologi som kan virke lovende i noen kretser.

Dessverre var det det usynlighet bare fra et visst synspunkt og i et snevert omfang, noe som gjorde teknologien til liten nytte. I 2013 foreslo de utrettelige ingeniørene ved Duke en 3D-printet enhet som kamuflerte et objekt plassert inne med mikrohull i strukturen (2). Men igjen, dette skjedde i et begrenset utvalg av bølger og bare fra et visst synspunkt.

Fotografiene publisert på Internett så lovende ut, kanadiske selskapet Hyperstealth, som i 2012 ble annonsert under det spennende navnet Quantum Stealth (3). Dessverre har fungerende prototyper aldri blitt demonstrert, og det har heller ikke blitt forklart hvordan det fungerer. Selskapet siterer sikkerhetsproblemer som årsak og rapporterer kryptisk at det forbereder hemmelige versjoner av produktet for militæret.

Frontskjerm, bakkamera

Første moderneusynlighetshette» Introdusert for ti år siden av den japanske ingeniøren Prof. Susumu Tachi fra University of Tokyo. Han brukte et kamera plassert bak en mann iført en frakk som også var en monitor. Bildet fra det bakre kameraet ble projisert på det. Den kappede mannen var "usynlig". Et lignende triks brukes av Adaptiv-bilkamuflasjeenheten som ble introdusert i forrige tiår av BAE Systems (4).

Den viser et infrarødt bilde "bakfra" på tankens rustning. En slik maskin er rett og slett ikke sett i sikteapparater. Ideen om å maskere gjenstander tok form i 2006. John Pendry fra Imperial College London, David Schurig og David Smith fra Duke University publiserte teorien om "transformasjonsoptikk" i tidsskriftet Science og presenterte hvordan det fungerer i tilfellet med mikrobølger (lengre bølgelengder enn synlig lys).

2. En "usynlighetshette" trykket i tre dimensjoner.

Ved hjelp av passende metamaterialer kan en elektromagnetisk bølge bøyes på en slik måte at den går utenom det omgivende objektet og går tilbake til sin nåværende bane. Parameteren som karakteriserer den generelle optiske reaksjonen til mediet er brytningsindeksen, som bestemmer hvor mange ganger langsommere enn i vakuum lyset beveger seg i dette mediet. Vi beregner det som roten av produktet av den relative elektriske og magnetiske permeabiliteten.

relativ elektrisk permeabilitet; bestemmer hvor mange ganger den elektriske interaksjonskraften i et gitt stoff er mindre enn interaksjonskraften i vakuum. Derfor er det et mål på hvor sterkt de elektriske ladningene i et stoff reagerer på et eksternt elektrisk felt. De fleste stoffer har en positiv permittivitet, som betyr at feltet endret av stoffet fortsatt har samme betydning som det ytre feltet.

Den relative magnetiske permeabiliteten m bestemmer hvordan magnetfeltet endres i et rom fylt med et gitt materiale, sammenlignet med magnetfeltet som ville eksistere i et vakuum med samme eksterne magnetfeltkilde. For alle naturlig forekommende stoffer er den relative magnetiske permeabiliteten positiv. For gjennomsiktige medier som glass eller vann er alle tre mengdene positive.

Deretter brytes lys, som går fra vakuum eller luft (luftparametere er bare litt forskjellige fra vakuum) inn i mediet, i henhold til brytningsloven og forholdet mellom sinusen til innfallsvinkelen og sinusen til brytningsvinkelen er lik brytningsindeksen for dette mediet. Verdien er mindre enn null; og m betyr at elektronene inne i mediet beveger seg i motsatt retning av kraften som skapes av det elektriske eller magnetiske feltet.

Det er nettopp dette som skjer i metaller, der den frie elektrongassen gjennomgår sine egne svingninger. Hvis frekvensen til en elektromagnetisk bølge ikke overstiger frekvensen til disse naturlige oscillasjonene av elektroner, så skjermer disse oscillasjonene det elektriske feltet til bølgen så effektivt at de ikke lar den trenge dypt inn i metallet og til og med skape et felt rettet motsatt til det ytre feltet.

Som et resultat er permittiviteten til et slikt materiale negativ. Ute av stand til å trenge dypt inn i metallet, reflekteres elektromagnetisk stråling fra overflaten av metallet, og selve metallet får en karakteristisk glans. Hva om begge typer permittivitet var negative? Dette spørsmålet ble stilt i 1967 av den russiske fysikeren Viktor Veselago. Det viser seg at brytningsindeksen til et slikt medium er negativ og lys brytes på en helt annen måte enn det som følger av den vanlige brytningsloven.

5. Negativ brytning på overflaten av et metamateriale - visualisering

Deretter overføres energien til den elektromagnetiske bølgen fremover, men den elektromagnetiske bølgens maksimale beveger seg i motsatt retning av formen til impulsen og den overførte energien. Slike materialer finnes ikke i naturen (det er ingen stoffer med negativ magnetisk permeabilitet). Bare i 2006-publikasjonen nevnt ovenfor og i mange andre publikasjoner opprettet i påfølgende år, var det mulig å beskrive og derfor bygge kunstige strukturer med negativ brytningsindeks (5).

De kalles metamaterialer. Det greske prefikset "meta" betyr "etter", det vil si at dette er strukturer laget av naturlige materialer. Metamaterialer får egenskapene de trenger ved å bygge små elektriske kretser som etterligner materialets magnetiske eller elektriske egenskaper. Mange metaller har negativ elektrisk permeabilitet, så det er nok å gi plass til elementer som gir negativ magnetisk respons.

I stedet for et homogent metall er mange tynne metalltråder arrangert i form av et kubisk gitter festet til en plate av isolasjonsmateriale. Ved å endre diameteren på ledningene og avstanden mellom dem, er det mulig å justere frekvensverdiene der strukturen vil ha negativ elektrisk permeabilitet. For å oppnå negativ magnetisk permeabilitet i det enkleste tilfellet, består designet av to ødelagte ringer laget av en god leder (for eksempel gull, sølv eller kobber) og atskilt med et lag av et annet materiale.

Et slikt system kalles en delt ringresonator – forkortet SRR, fra engelsk. Delt ringresonator (6). På grunn av hullene i ringene og avstanden mellom dem har den en viss kapasitans, som en kondensator, og siden ringene er laget av ledende materiale har den også en viss induktans, dvs. evne til å generere strøm.

Endringer i det ytre magnetfeltet fra den elektromagnetiske bølgen fører til at det flyter en strøm i ringene, og denne strømmen skaper et magnetfelt. Det viser seg at med en passende design, er magnetfeltet skapt av systemet rettet motsatt av det eksterne feltet. Dette resulterer i en negativ magnetisk permeabilitet for et materiale som inneholder slike elementer. Ved å sette parametrene til metamaterialsystemet kan man oppnå en negativ magnetisk respons i et ganske bredt spekter av bølgefrekvenser.

meta - bygning

Designernes drøm er å bygge et system der bølgene ideelt sett strømmer rundt objektet (7). I 2008 skapte forskere ved University of California, Berkeley, for første gang i historien, tredimensjonale materialer som har en negativ brytningsindeks for synlig og nær-infrarødt lys, og bøyer lyset i motsatt retning av dets naturlige retning. De skapte et nytt metamateriale ved å kombinere sølv med magnesiumfluorid.

Deretter kuttes den til en matrise bestående av miniatyrnåler. Fenomenet negativ brytning har blitt observert ved bølgelengder på 1500 nm (nær infrarød). Tidlig i 2010 opprettet Tolga Ergin fra Karlsruhe Institute of Technology og kolleger ved Imperial College London usynlig lys gardin. Forskerne brukte materialer tilgjengelig på markedet.

De brukte fotoniske krystaller lagt på en overflate for å dekke et mikroskopisk fremspring på en gullplate. Så metamaterialet ble laget av spesielle linser. Linsene overfor pukkelen på platen er plassert på en slik måte at de ved å avlede en del av lysbølgene eliminerer lysspredning på bulen. Ved å observere platen under et mikroskop, ved å bruke lys med en bølgelengde nær bølgelengden til synlig lys, så forskerne en flat plate.

Senere klarte forskere fra Duke University og Imperial College London å oppnå en negativ refleksjon av mikrobølgestråling. For å oppnå denne effekten må individuelle elementer i metamaterialstrukturen være mindre enn lysets bølgelengde. Så det er en teknisk utfordring som krever produksjon av svært små metamaterialstrukturer som matcher bølgelengden til lyset de skal bryte.

Synlig lys (fiolett til rødt) har en bølgelengde på 380 til 780 nanometer (en nanometer er en milliarddels meter). Nanoteknologer fra Scottish University of St. Andrews kom til unnsetning. De fikk et enkelt lag med ekstremt tettmasket metamateriale. Sidene til New Journal of Physics beskriver en metafleks som er i stand til å bøye bølgelengder på rundt 620 nanometer (oransje-rødt lys).

I 2012 kom en gruppe amerikanske forskere ved University of Texas i Austin opp med et helt annet triks ved å bruke mikrobølger. En sylinder med en diameter på 18 cm ble belagt med et plasmamateriale med negativ impedans, som tillater manipulering av egenskapene. Hvis den har nøyaktig de motsatte optiske egenskapene til det skjulte objektet, skaper den en slags "negativ".

Dermed overlapper de to bølgene og objektet blir usynlig. Som et resultat kan materialet bøye flere forskjellige frekvensområder av bølgen slik at de strømmer rundt objektet, konvergerer på den andre siden av det, noe som kanskje ikke er merkbart for en utenforstående observatør. Teoretiske begreper formerer seg.

For omtrent et dusin måneder siden publiserte Advanced Optical Materials en artikkel om en muligens banebrytende studie av forskere ved University of Central Florida. Hvem vet om de ikke klarte å overvinne de eksisterende restriksjonene på "usynlige hatter» Bygget av metamaterialer. I følge informasjonen de publiserte, er det mulig at objektet forsvinner i det synlige lysområdet.

7. Teoretiske måter å bøye lys på en usynlig gjenstand

Debashis Chanda og teamet hans beskriver bruken av et metamateriale med en tredimensjonal struktur. Det var mulig å få det takket være den såkalte. nanotransfer printing (NTP), som produserer metall-dielektriske bånd. Brytningsindeksen kan endres ved hjelp av nanoingeniørmetoder. Lysets forplantningsvei må kontrolleres i den tredimensjonale overflatestrukturen til materialet ved hjelp av den elektromagnetiske resonansmetoden.

Forskere er veldig forsiktige i sine konklusjoner, men fra beskrivelsen av teknologien deres er det ganske klart at belegg av et slikt materiale er i stand til å avlede elektromagnetiske bølger i stor grad. I tillegg tillater måten det nye materialet er oppnådd produksjon på store områder, noe som har fått noen til å drømme om jagerfly dekket av en slik kamuflasje som ville gi dem usynlighet komplett, fra radar til dagslys.

Skjulningsenheter som bruker metamaterialer eller optiske teknikker forårsaker ikke selve forsvinningen av objekter, men bare deres usynlighet for deteksjonsverktøy, og snart, kanskje, for øyet. Imidlertid er det allerede mer radikale ideer. Jeng Yi Lee og Ray-Kuang Lee fra Taiwan National Tsing Hua University foreslo et teoretisk konsept om en kvante "kappe av usynlighet" som er i stand til å fjerne objekter ikke bare fra synsfeltet, men også fra virkeligheten som helhet.

Dette vil fungere på samme måte som det som ble diskutert ovenfor, men Schrödinger-ligningen vil bli brukt i stedet for Maxwells ligninger. Poenget er å strekke objektets sannsynlighetsfelt slik at det er lik null. Teoretisk sett er dette mulig på mikroskala. Det vil imidlertid ta lang tid å vente på de teknologiske mulighetene for å produsere et slikt deksel. Som alle "usynlighetshette"Som kan sies at hun virkelig skjulte noe for vårt syn.