211service.com
Przełom w zakresie niewidki
Metamateriały oddziałują ze światłem w sposób, który wydaje się naruszać prawa fizyki. Mogą zaginać światło wokół obiektu tak, jakby go tam nie było, lub zawęzić rozdzielczość mikroskopów świetlnych do kilku nanometrów. Ale metamateriały muszą być starannie ustrukturyzowane w nano- i mikroskali, aby osiągnąć te egzotyczne efekty. Teraz badacz z Duke University, który zbudował pierwszą pelerynę-niewidkę w 2006 roku, stworzył oprogramowanie, które przyspiesza projektowanie metamateriałów. On i jego koledzy wykorzystali ten program do zbudowania złożonej osłony świetlnej, która jest niewidoczna dla szerokiego pasma światła mikrofalowego – i zrobili to w zaledwie około 10 dni.
Teraz to widzisz: Nowe urządzenie, które może przekierować promieniowanie mikrofalowe, składa się z około 600-I-kształtnych struktur miedzianych i działa w szerokim spektrum.
David R. Smith księcia i Tai Jun Cui z Southeast University w Nanjing w Chinach kierował pracami, które są punktem zwrotnym w dziedzinie metamateriałów. Płaszcz, który zbudowali naukowcy, działa z długościami fal światła w zakresie od około 1 do 18 gigaherców – pasem tak szerokim jak widmo widzialne. Nikt jeszcze nie stworzył urządzenia maskującego, które działa w widmie widzialnym, a te metamateriały, które zostały wytworzone, zwykle działają tylko z wąskimi pasmami światła. Ale płaszcz, który czyniłby przedmiot niewidzialnym dla światła tylko jednego koloru, na niewiele by się przydał. Podobnie urządzenie maskujące nie może sobie pozwolić na stratę: jeśli przepuszcza tylko odrobinę światła od obiektu, który ma maskować, nie jest już skuteczne. Płaszcz, który zbudował Smith, charakteryzuje się bardzo niskimi stratami, skutecznie przekierowując prawie całe światło, które go pada.
Ich płaszcz… odpowiada naiwnym, którzy przewidywali, że płaszcze zawsze będą wąskopasmowe i stratne, mówi John Pendry , kierownik katedry teoretycznej fizyki ciała stałego w Imperial College London. Pendry wykonał pracę teoretyczną, na której opiera się zarówno pierwsza peleryna-niewidka, jak i jej nowa następczyni. Nie trzeba dodawać, że jestem zachwycony tym rozwojem, mówi Pendry. On i jego kolega z Imperial College Jensen Li zaproponował teoretyczną wersję płaszcza szerokopasmowego dopiero w zeszłym roku i wtedy, jak mówi, nie spodziewał się tak szybkiego postępu eksperymentalnego.
Płaszcz szerokopasmowy jest konstrukcją prostokątną o wymiarach około 50 na 10 centymetrów i wysokości około 1 centymetra. Składa się z około 600 miedzianych struktur w kształcie litery I. Stworzenie każdej struktury to prosta sprawa, mówi Smith. To miedziane wzory na płytce drukowanej, pocięte i ułożone. To dobrze znana, niedroga technologia. Najtrudniejsze jest określenie wymiarów każdej z tych 600 konstrukcji i sposobu ich rozmieszczenia. W przypadku pierwszego lekkiego płaszcza, który miał tylko 10 takich elementów, musieliśmy zaprojektować każdy element za pomocą symulacji numerycznych, mówi Smith. Zastosowanie tego samego podejścia do bardziej skomplikowanego płaszcza pochłonęłoby miesiące.
Nawet dla fizyków i inżynierów matematyka zaangażowana w teoretyczne projektowanie urządzeń maskujących jest bardzo trudna, mówi Nicholas Fang , profesor nauk mechanicznych i inżynierii na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champaign. Sposób, w jaki materiał oddziałuje z komponentami magnetycznymi i elektrycznymi światła, jest brany pod uwagę przy określaniu rozmiaru, kształtu i orientacji każdej struktury w metamateriale. W pracach teoretycznych Pendry i Li opisano, jak wykonać szerokopasmową pelerynę przy użyciu materiałów ustrukturyzowanych w taki sposób, aby miały reakcję elektryczną na światło, ale nie magnetyczną. Nie było jednak jasne, jak wprowadzić ten pomysł w życie. Naukowcy z Southeast University opracowali nowe algorytmy, aby znacznie przyspieszyć ten proces, mówi Smith. Algorytmy te umożliwiają szybkie przewidzenie, w jaki sposób konstrukcja o określonym kształcie będzie oddziaływać ze światłem.
Sam płaszcz, opisany w tym tygodniu w Nauka , jest rzeczywiście imponujący, mówi Fang, który pracuje nad metamateriałami do obrazowania biologicznego w super rozdzielczości. Ale co bardziej ekscytujące, nowe podejście do projektowania przyspieszy rozwój innych metamateriałów. Smith mówi, że on i jego grupa wyszli już poza płaszcz zgłoszony w Nauka , ale ponieważ ich najnowsza praca nie została opublikowana, nie może określić, co zrobili. Teraz, gdy ta technologia staje się bardziej wykonalna, mówi, zaczniemy widzieć jej znacznie więcej.
Inne zastosowania metamateriałów, mówi Smith, obejmują urządzenia optyczne, które pobierają energię świetlną i koncentrują ją, zamiast ją odrzucać – koncepcyjnie przeciwieństwo peleryny. Można ulepszyć ogniwa słoneczne, tworząc struktury zwiększające natężenie pola światła, mówi. Nowa praca sugeruje, że można to zrobić w całym spektrum długości fal występujących w świetle słonecznym. Podobnie szerokopasmowe hipersoczewki, które gromadzą światło przeoczone przez normalne soczewki, mogą zrewolucjonizować obrazowanie biologiczne. Fang i inni opracowali wąskopasmowe hipersoczewki o rozdzielczości zaledwie kilku nanometrów, dzięki czemu widoczne jest molekularne działanie komórek. Hipersoczewka szerokopasmowa może pracować ze wszystkimi kolorami światła widzialnego i podczerwonego.
Ostatecznym celem, mówi Pendry, jest maskowanie w zakresie światła widzialnego, a ostatnie prace Smitha wskazują drogę naprzód. Nie ma przeszkód nie do pokonania, aby peleryna działała na częstotliwościach optycznych, mówi Pendry. Gazeta Duke'a przybliża ten cel o krok.