211service.com
Łatwiejsza niewidzialność
W zeszłym roku w mediach krążyły rozmowy o egzotycznej klasie materiałów, zwanych metamateriałami, które można wykorzystać do produkcji płaskich i pozbawionych zniekształceń soczewek, potężnych mikroskopów, a nawet urządzeń maskujących, które czynią obiekty niewidzialnymi. Jednak trudno było wykonać wersje materiałów nadających się do zastosowań praktycznych. Teraz naukowcy z Uniwersytetu Princeton wykazali metamateriały, które są zarówno bardziej wydajne, jak i znacznie łatwiejsze w produkcji, być może przybliżając te zastosowania do rzeczywistości.
Światło gięcia: Nowy rodzaj materiału powoduje, że fale świetlne (reprezentowane przez owale) poruszają się w zupełnie inny sposób niż w przypadku zwykłych materiałów.
To dość ważny krok, mówi Igor Smoljannow , naukowiec z University of Maryland, który pracuje z metamateriałami. Jest znacznie tańszy niż cokolwiek innego, co ludzie robią.
Światło przechodzące z jednego zwykłego materiału w inny lekko się ugina – pomyśl, jak wygląda wygięty prosty kij w wodzie – ale światło przechodzące w metamateriał ugina się w przeciwnym kierunku. Metamateriały mają zatem tak zwany ujemny współczynnik załamania światła. Soczewka wykonana z takiego materiału nie musiałaby być zakrzywiona. (To krzywizna zwykłej soczewki umożliwia skupianie wpadającego światła.) Metamateriały mogą być również wykorzystywane do kierowania fal elektromagnetycznych wokół obiektu, czyniąc go niewidzialnym. Naukowcy już zademonstrowali urządzenie maskujące, które sprawia, że obiekty są niewidoczne dla mikrofal, a inni stworzyli materiały, które negatywnie załamują fale elektromagnetyczne w widzialnej części widma elektromagnetycznego. Ale do tej pory metamateriały musiały mieć skomplikowane kształty mniejsze niż długość fali światła, którą mają manipulować. W związku z tym trudno było wykonać materiały, które działają ze światłem o mikroskopijnych długościach fal, takim jak światło podczerwone i widzialne. Ze względu na sposób, w jaki wytwarzają ujemne załamanie, istniejące metamateriały mają również silną tendencję do pochłaniania światła, co czyni je niepraktycznymi w zastosowaniu w optyce.
Materiały opracowane w Princeton zachowują właściwość negatywnego załamania, ale są znacznie łatwiejsze do wykonania. Zamiast wymagać skomplikowanych struktur, takich jak dzielone pierścienie stosowane w mikrofalowym urządzeniu maskującym, materiały można łatwo wytwarzać, układając bardzo cienkie warstwy materiału półprzewodnikowego. Co więcej, układanie w stos można wykonać za pomocą tych samych narzędzi, które są obecnie używane do wytwarzania materiałów półprzewodnikowych do laserów stosowanych w telekomunikacji, mówi Claire Gmachl , badacz z Princeton, który kierował pracami. Nowe materiały składają się z naprzemiennych warstw arsenku indu galu i arsenku glinu i indu i są dostrojone do pracy w zakresie podczerwieni widma.
Podobnie jak inne metamateriały, nowe materiały oddziałują na światło inaczej niż zwykłe materiały, ponieważ są wykonane ze struktur znacznie mniejszych niż długość fali przechodzącego przez nie światła. W tym przypadku jednak to warstwy samych półprzewodników są cieńsze niż długość fali światła. W konsekwencji fala przechodząca przez materiał napotyka wiele warstw jednocześnie, reagując na nie tak, jakby były jednym materiałem o właściwościach zupełnie odmiennych od właściwości obu półprzewodników.
Tym, co odróżnia nowe materiały od poprzednich metamateriałów, jest to, że zamiast zmieniać dwa aspekty sposobu poruszania się światła, zmieniają tylko jeden. Jeśli światło jest traktowane jako fala, czoło fali jest prostopadłe do kierunku, w którym porusza się światło. Wyobraź sobie falę oceaniczną rozbijającą się o brzeg: porusza się tylko w jednym kierunku, ale czoło fali to ogromna ściana wody. Wcześniejsze metamateriały zmieniały kierunek przechodzących przez nie wiązek światła, a czoło fali pozostawało prostopadłe do kierunku wiązki. W nowych materiałach wiązka światła zmienia kierunek, ale fronty fal już nie, sprawiając wrażenie, że przesuwają się na bok, a nie do przodu. (Patrz obrazek poniżej.)
Kiedy wiązka światła przechodzi przez zwykły materiał, porusza się w tym samym kierunku, w którym zwrócone są fale świetlne (górna część obrazu). Kiedy wiązka światła wchodzi w nowy rodzaj metamateriału, zmienia kierunek, ale fale pozostają skierowane w ten sam sposób, zdając się ślizgać na boki (patrz dolna połowa obrazu). Ten obraz pochodzi z symulacji komputerowej.
Źródło: Anthony Hoffman, Uniwersytet Princeton
Ogólny wpływ na kierunek wiązki światła jest taki sam jak w przypadku wcześniejszego metamateriału, ale nowe materiały są prostsze w tworzeniu i pochłaniają znacznie mniej światła, co czyni je bardziej atrakcyjnymi do zastosowania w optyce.
Pierwszym zastosowaniem, jakie opracowują naukowcy z Princeton, jest płaska soczewka do urządzeń wykrywających substancje chemiczne, do której szczególnie dobrze nadają się materiały współpracujące ze światłem podczerwonym. Gmachl mówi, że obecne konfiguracje optyczne dla takich urządzeń są nieporęczne, ponieważ używają konwencjonalnych obiektywów. Jak mówi, pierwszym zastosowaniem byłoby wykorzystanie tego materiału do miniaturyzacji układów optycznych poprzez zastąpienie zakrzywionych soczewek soczewkami płaskimi.
Innym wczesnym zastosowaniem mogą być urządzenia noktowizyjne, które działają również z falami podczerwonymi. Dla osób, które chcą ulepszyć noktowizory, może to być całkiem interesujące, mówi Smolianinow.