Nya metamaterial: ljus under kontroll

Den uppsjö av rapporter om "metamaterial" (inom citattecken eftersom definitionen börjar suddas ut) får oss att se dem nästan som ett universalmedel för alla problem, smärtor och begränsningar som den moderna teknikvärlden står inför. De mest intressanta koncepten nyligen involverar optisk datoranvändning och virtuell verklighet.

i ett förhållande framtidens hypotetiska datorerExempel är studier av specialister från det israeliska TAU-universitetet i Tel Aviv. De designar nanomaterial i flera lager som kommer att möjliggöra skapandet av optiska datorer. I sin tur har forskare från schweiziska Paul Scherrer-institutet byggt ett trefasämne från en miljard miniatyrmagneter som kan simulera tre aggregationstillstånd, i analogi med vatten.

Vad kan detta användas till? Israelerna vill bygga. Schweizarna pratar om dataöverföring och inspelning, och spintronik i allmänhet.

Trefasmetamaterial tillverkat av minimagneter, som simulerar vattnets tre tillstånd.

Fotoner på begäran

Forskning av forskare vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory kan leda till utvecklingen av optiska datorer baserade på metamaterial. De föreslår att man skapar en sorts laserram som kan fånga specifika paket av atomer på en specifik plats, skapa en strikt designad, kontrollerad ljusbaserad struktur. Det liknar naturliga kristaller. Med en skillnad - det är nästan perfekt; inga defekter observeras i naturmaterial.

Forskare tror att de inte bara kommer att kunna kontrollera positionen för grupper av atomer i deras "ljuskristall", utan också aktivt påverka beteendet hos enskilda atomer med hjälp av en annan laser (nära-infraröd). De kommer till exempel att tvinga dem att avge en viss energi vid behov - till och med en enda foton, som, som avlägsnas från ett ställe i kristallen, kan påverka en atom som är instängd i en annan. Det blir ett slags enkelt utbyte av information.

Möjligheten att snabbt frigöra en foton på ett kontrollerat sätt och överföra den med låg förlust från en atom till en annan är ett viktigt informationsbearbetningssteg för kvantberäkning. Man kan tänka sig att använda hela arrayer av kontrollerade fotoner för att utföra mycket komplexa beräkningar - mycket snabbare än att använda moderna datorer. Atomer inbäddade i en konstgjord kristall kan också hoppa från en plats till en annan. I det här fallet skulle de själva bli informationsbärare i en kvantdator eller kunde skapa en kvantsensor.

Forskare har funnit att rubidiumatomer är idealiska för sina ändamål. Men barium-, kalcium- eller cesiumatomer kan också fångas upp av en konstgjord laserkristall eftersom de har liknande energinivåer. För att göra det föreslagna metamaterialet i ett verkligt experiment, skulle forskargruppen behöva fånga flera atomer i ett konstgjort kristallgitter och hålla dem där även när de exciterade till högre energitillstånd.

Virtuell verklighet utan optiska defekter

Metamaterial kan också hitta användbara tillämpningar inom ett annat teknikområde i utveckling - . Virtual reality har många olika begränsningar. De ofullkomligheter hos optiken som vi känner till spelar en betydande roll. Det är nästan omöjligt att bygga ett perfekt optiskt system, eftersom det alltid finns så kallade aberrationer, d.v.s. vågförvrängningar orsakade av olika faktorer. Vi är medvetna om sfäriska och kromatiska aberrationer, astigmatism, koma och många, många andra negativa effekter av optik. Alla som har använt virtuella verklighetsuppsättningar har troligen tagit itu med dessa fenomen. Det är omöjligt att designa VR-optik som är lätt, producerar högkvalitativa bilder, har inga synliga regnbågar (kromatiska aberrationer), har ett stort synfält och är billig. Det här är bara overkligt.

Det är därför VR-utrustningstillverkare – Oculus och HTC – använder så kallade Fresnel-linser. Detta gör att du kan få betydligt mindre vikt, eliminera kromatiska aberrationer och få ett relativt lågt pris (materialet för produktion av sådana linser är billigt). Tyvärr orsakar lätta brytningsringar w Fresnel linser en betydande kontrastminskning och skapandet av en centrifugal glöd, vilket är särskilt märkbart där scenen har hög kontrast (svart bakgrund).

Men nyligen lyckades forskare från Harvard University, ledda av Federico Capasso, utvecklas tunn och platt lins med metamaterial. Nanostrukturlagret på glas är tunnare än ett människohår (0,002 mm). Den har inte bara de typiska nackdelarna, den ger också mycket bättre bildkvalitet än dyra optiska system.

Capasso-linsen, till skillnad från typiska konvexa linser som böjer och sprider ljus, förändrar ljusvågens egenskaper på grund av mikroskopiska strukturer som sticker ut från ytan, avsatta på kvartsglas. Varje sådant utsprång bryter ljuset på olika sätt och ändrar dess riktning. Därför är det viktigt att korrekt distribuera en sådan nanostruktur (mönster), som är designad på en dator och producerad med metoder som liknar datorprocessorer. Detta innebär att den här typen av linser kan tillverkas i samma fabriker som tidigare med kända processer. Titandioxid används för sprutning.

Det är värt att nämna en annan innovativ lösning av "meta-optik". metamaterial hyperlinser, gjord vid American University i Buffalo. De första versionerna av hyperlinser var gjorda av silver och ett dielektriskt material, men de fungerade bara i ett mycket smalt våglängdsområde. Buffalo-forskarna använde ett koncentriskt arrangemang av guldstavar i ett termoplasthus. Den fungerar i våglängdsområdet för synligt ljus. Forskarna illustrerar ökningen i upplösning till följd av den nya lösningen med hjälp av ett medicinskt endoskop som exempel. Den känner vanligtvis igen objekt upp till 10 250 nanometer, och efter att ha installerat hyperlinser "går den ner" till XNUMX XNUMX nanometer. Designen övervinner problemet med diffraktion, ett fenomen som avsevärt minskar upplösningen hos optiska system - istället för vågförvrängningar omvandlas de till vågor som kan spelas in i efterföljande optiska enheter.

Enligt en publikation i Nature Communications kan denna metod användas inom många områden, från medicin till observation av enskilda molekyler. Det är lämpligt att vänta på specifika enheter baserade på metamaterial. Kanske kommer de att tillåta virtuell verklighet att äntligen bli en riktig framgång. När det gäller "optiska datorer" är dessa fortfarande ganska avlägsna och vaga utsikter. Men inget kan uteslutas...