211service.com
Przybliżanie peleryny-niewidki
W ramach ważnego kroku w kierunku opracowania praktycznych peleryny-niewidki naukowcy opracowali dwa nowe materiały, które zaginają światło w zupełnie nowy sposób. Materiały te są pierwszymi, które działają w paśmie optycznym widma, które obejmuje światło widzialne i podczerwone; istniejące materiały maskujące działają tylko z mikrofalami. Takie płaszcze, od dawna przedstawiane w fantastyce naukowej, pozwalały obiektom, od samolotów po ludzi, ukrywać się na widoku.
Niewidoczna siatka: Nowy materiał, który w wyjątkowy sposób potrafi uginać światło bliskiej podczerwieni, ma strukturę siateczki. Te obrazy pryzmatu wykonanego z materiału zostały wykonane za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego. Otwory w siatce umożliwiają interakcję materiału z magnetycznym składnikiem światła, co umożliwia niezwykłe wygięcie i dowodzi, że można go wykorzystać w przyszłych pelerynach-niewidkach. We wstawce widoczne są warstwy metalu i materiału izolacyjnego, które tworzą metamateriał.
Oba materiały, osobno opisane w czasopismach Nauka oraz Natura w tym tygodniu wykaż właściwość zwaną ujemną refrakcją, której nie posiada żaden naturalny materiał. Gdy światło przechodzi przez materiały, ugina się do tyłu. Jeden materiał działa ze światłem widzialnym; drugi został zademonstrowany w świetle bliskiej podczerwieni.
Materiały stworzone w laboratorium Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, inżynier Xiang Zhang , może wskazać drogę do peleryny-niewidki, która chroni obiekty przed światłem widzialnym. Ale Stevena Cummera , inżynier z Duke University zajmujący się opracowywaniem płaszcza mikrofalowego, ostrzega, że zanim nowe materiały będą mogły zostać wykorzystane do maskowania, jeszcze długa droga. Materiały maskujące muszą prowadzić światło w bardzo precyzyjnie kontrolowany sposób, tak aby opływało ono obiekt, formując się ponownie po drugiej stronie bez zniekształceń. Materiały Berkeley mogą zaginać światło w sposób niezbędny do maskowania, ale będą wymagały dalszej inżynierii, aby manipulować światłem tak, aby było ono dokładnie kierowane.
Jeden z nowych materiałów Berkeley składa się z naprzemiennych warstw metalu i materiału izolacyjnego, z których oba są dziurkowane z siatką kwadratowych otworów. Całkowita grubość urządzenia wynosi około 800 nanometrów; otwory są jeszcze mniejsze. Te ułożone na sobie warstwy tworzą pętle prądu elektrycznego, które reagują na pole magnetyczne światła, umożliwiając jego wyjątkowe właściwości zginania, mówi Jason Valentine , doktorant w laboratorium Zhanga. Natomiast materiały występujące naturalnie nie oddziałują z magnetycznym składnikiem fal elektromagnetycznych. Zmieniając rozmiar otworów, naukowcy mogą dostroić materiał do różnych częstotliwości światła. Do tej pory wykazali ujemne załamanie światła bliskiej podczerwieni za pomocą pryzmatu wykonanego z materiału.
Naukowcy próbowali stworzyć takie materiały od prawie 10 lat, odkąd przyszło im do głowy, że ujemna refrakcja może być rzeczywiście możliwa. Inni badacze byli w stanie stworzyć tylko pojedyncze warstwy, które są zbyt cienkie – i zbyt nieefektywne – do zastosowań w urządzeniach. Materiał Berkeley jest około 10 razy grubszy niż w poprzednich konstrukcjach, co pomaga zwiększyć przepuszczane światło, a jednocześnie czyni go wystarczająco wytrzymałym, aby stanowić podstawę dla prawdziwych urządzeń. To zbliża się do rzeczywistych urządzeń w nanoskali, mówi Cummer o pryzmacie Berkeleya.
Drugi materiał składa się ze srebrnych nanodrutów osadzonych w aluminium. Medium nanoprzewodowe działa jak wiązki światłowodów, więc w zasadzie jest zupełnie inaczej, mówi Nicholas Fang , profesor mechaniki i inżynierii na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champagne, który nie był zaangażowany w badania. Warstwowa struktura siatki nie tylko zagina światło w kierunku ujemnym; powoduje również, że porusza się do tyłu. Światło przepuszczane przez strukturę nanodrutów również ugina się w kierunku ujemnym, ale nie cofa się. Ponieważ prace są wciąż na wczesnym etapie, nie jest jasne, który metamateriał optyczny sprawdzi się najlepiej i do jakich zastosowań. Być może przyszłe rozwiązania połączą te dwa podejścia, mówi Fang.
Wykonanie peleryny niewidki będzie stanowić wielkie wyzwanie inżynieryjne. Po pierwsze, naukowcy będą musieli zwiększyć skalę materiału, nawet w celu zamaskowania małego obiektu: istniejące mikrofalowe urządzenia maskujące i teoretyczne projekty maskownic optycznych muszą mieć wiele warstw grubości, aby kierować światło wokół obiektów bez zniekształceń. Wytwarzanie materiałów do maskowania mikrofalowego było łatwiejsze, ponieważ te długości fal można kontrolować za pomocą stosunkowo dużych cech strukturalnych. Aby poprowadzić światło widzialne wokół obiektu, potrzebny będzie materiał, którego struktura jest kontrolowana w nanoskali, jak te wykonane w Berkeley.
Opracowanie urządzeń do maskowania może zająć trochę czasu. W krótkim okresie materiały z Berkeley mogą być przydatne w telekomunikacji i mikroskopii. Falowody w nanoskali i inne urządzenia wykonane z materiałów mogą przezwyciężyć jedno z głównych wyzwań związanych ze skalowaniem komunikacji optycznej do poziomu chipa: umożliwiając precyzyjną kontrolę równoległych strumieni bogatego w informacje światła na tym samym chipie, aby nie zakłócały się nawzajem. Nowe materiały mogłyby też ostatecznie zostać opracowane w soczewki do mikroskopów świetlnych. Tak zwane supersoczewki do obchodzenia podstawowych ograniczeń rozdzielczości w mikroskopach świetlnych zostały opracowane przez Fang i innych, ujawniając działanie cząsteczek biologicznych z rozdzielczością nanoskalową przy użyciu światła ultrafioletowego, które w dużych dawkach uszkadza żywe komórki. Ale nie było możliwe stworzenie supersoczewek, które działają w bogatych w informacje i przyjaznych dla komórek widzialnych i bliskiej podczerwieni części widma.