"Invisibility Caps" är fortfarande osynliga

Den senaste i raden av "osynlighetskappor" är den som är född vid University of Rochester (1), som använder lämpligt optiskt system. Men skeptiker kallar det för något slags illusionistiskt trick eller specialeffekt, där ett smart linssystem bryter ljuset och lurar betraktarens syn.

Det finns en ganska avancerad matematik bakom det hela – forskare måste använda den för att hitta hur man ställer in de två linserna så att ljuset bryts på ett sådant sätt att de kan dölja objektet direkt bakom dem. Denna lösning fungerar inte bara när man tittar direkt på linserna - en vinkel på 15 grader eller en annan räcker.

1. "Invisibility Cap" från University of Rochester.

Den kan användas i bilar för att eliminera döda fläckar i speglar eller i operationssalar, så att kirurger kan se genom sina händer. Detta är ytterligare en i en lång rad av uppenbarelser om osynlig tekniksom har kommit till oss de senaste åren.

2012 hörde vi redan om "Cap of Invisibility" från det amerikanska Duke University. Bara de mest nyfikna läste då att det handlade om osynligheten av en liten cylinder i ett litet fragment av mikrovågsspektrat. Ett år tidigare rapporterade Duke-tjänstemän om sonar stealth-teknologi som kan verka lovande i vissa kretsar.

Tyvärr var det det osynlighet endast från en viss synpunkt och i en snäv omfattning, vilket gjorde tekniken till liten nytta. 2013 föreslog de outtröttliga ingenjörerna på Duke en 3D-utskriven enhet som kamouflerade ett föremål placerat inuti med mikrohål i strukturen (2). Men återigen hände detta i ett begränsat antal vågor och bara från en viss synvinkel.

Fotografierna som publicerades på Internet såg lovande ut kanadensiska företaget Hyperstealth, som 2012 annonserades under det spännande namnet Quantum Stealth (3). Tyvärr har fungerande prototyper aldrig visats, och det har inte heller förklarats hur det fungerar. Företaget nämner säkerhetsproblem som orsak och rapporterar kryptiskt att det förbereder hemliga versioner av produkten för militären.

Framskärm, bakre kamera

Först modernosynlighetslock» Introducerad för tio år sedan av den japanska ingenjören Prof. Susumu Tachi från University of Tokyo. Han använde en kamera placerad bakom en man klädd i en kappa som också var en monitor. Bilden från den bakre kameran projicerades på den. Den klädda mannen var "osynlig". Ett liknande knep används av Adaptiv fordonskamouflageanordning som introducerades under det föregående decenniet av BAE Systems (4).

Den visar en infraröd bild "bakifrån" på tankens pansar. En sådan maskin ses helt enkelt inte i siktanordningar. Idén att maskera föremål tog form 2006. John Pendry från Imperial College London, David Schurig och David Smith från Duke University publicerade teorin om "transformationsoptik" i tidskriften Science och presenterade hur den fungerar i fallet med mikrovågor (längre våglängder än synligt ljus).

2. En "osynlighetskeps" tryckt i tre dimensioner.

Med hjälp av lämpliga metamaterial kan en elektromagnetisk våg böjas på ett sådant sätt att den går förbi det omgivande föremålet och återgår till sin strömbana. Parametern som kännetecknar mediets allmänna optiska reaktion är brytningsindexet, som bestämmer hur många gånger långsammare än i vakuum som ljus rör sig i detta medium. Vi beräknar det som roten till produkten av relativ elektrisk och magnetisk permeabilitet.

relativ elektrisk permeabilitet; bestämmer hur många gånger den elektriska interaktionskraften i ett givet ämne är mindre än interaktionskraften i vakuum. Därför är det ett mått på hur starkt de elektriska laddningarna inom ett ämne reagerar på ett yttre elektriskt fält. De flesta ämnen har en positiv permittivitet, vilket innebär att det fält som ändras av ämnet fortfarande har samma betydelse som det yttre fältet.

Den relativa magnetiska permeabiliteten m bestämmer hur magnetfältet förändras i ett utrymme fyllt med ett givet material, jämfört med det magnetiska fältet som skulle existera i ett vakuum med samma externa magnetfältskälla. För alla naturligt förekommande ämnen är den relativa magnetiska permeabiliteten positiv. För transparenta medier som glas eller vatten är alla tre kvantiteterna positiva.

Sedan bryts ljus, som passerar från vakuum eller luft (luftparametrar skiljer sig endast något från vakuum) in i mediet, enligt brytningslagen och förhållandet mellan sinus för infallsvinkeln och sinus för brytningsvinkeln är lika med brytningsindex för detta medium. Värdet är mindre än noll; och m betyder att elektronerna inuti mediet rör sig i motsatt riktning mot kraften som skapas av det elektriska eller magnetiska fältet.

Det är precis vad som händer i metaller, där den fria elektrongasen genomgår sina egna svängningar. Om frekvensen för en elektromagnetisk våg inte överstiger frekvensen för dessa naturliga svängningar av elektroner, så skärmar dessa svängningar vågens elektriska fält så effektivt att de inte tillåter det att tränga djupt in i metallen och till och med skapa ett fält riktat motsatsen. till det yttre fältet.

Som ett resultat är permittiviteten för ett sådant material negativ. Oförmögen att tränga djupt in i metallen reflekteras elektromagnetisk strålning från metallens yta, och själva metallen får en karakteristisk lyster. Tänk om båda typerna av permittivitet var negativa? Denna fråga ställdes 1967 av den ryske fysikern Viktor Veselago. Det visar sig att ett sådant mediums brytningsindex är negativt och ljuset bryts på ett helt annat sätt än vad som följer av den vanliga brytningslagen.

5. Negativ brytning på ytan av ett metamaterial - visualisering

Då överförs den elektromagnetiska vågens energi framåt, men den elektromagnetiska vågens maxima rör sig i motsatt riktning mot formen på impulsen och den överförda energin. Sådana material finns inte i naturen (det finns inga ämnen med negativ magnetisk permeabilitet). Endast i 2006 års publikation som nämns ovan och i många andra publikationer skapade under efterföljande år, var det möjligt att beskriva och därför bygga konstgjorda strukturer med ett negativt brytningsindex (5).

De kallas metamaterial. Det grekiska prefixet "meta" betyder "efter", det vill säga dessa är strukturer gjorda av naturliga material. Metamaterial får de egenskaper de behöver genom att bygga små elektriska kretsar som efterliknar materialets magnetiska eller elektriska egenskaper. Många metaller har en negativ elektrisk permeabilitet, så det räcker med att lämna plats för element som ger negativ magnetisk respons.

Istället för en homogen metall är många tunna metalltrådar anordnade i form av ett kubiskt galler fästa på en platta av isoleringsmaterial. Genom att ändra diametern på trådarna och avståndet mellan dem är det möjligt att justera frekvensvärdena vid vilka strukturen kommer att ha en negativ elektrisk permeabilitet. För att erhålla negativ magnetisk permeabilitet i det enklaste fallet består designen av två trasiga ringar gjorda av en bra ledare (till exempel guld, silver eller koppar) och åtskilda av ett lager av ett annat material.

Ett sådant system kallas split-ring-resonator – förkortat SRR, från engelskan. Delad ringresonator (6). På grund av gapen i ringarna och avståndet mellan dem har den en viss kapacitans, som en kondensator, och eftersom ringarna är gjorda av ledande material har den också en viss induktans, d.v.s. förmåga att generera strömmar.

Förändringar i det externa magnetfältet från den elektromagnetiska vågen gör att en ström flyter i ringarna, och denna ström skapar ett magnetfält. Det visar sig att med en lämplig design riktas magnetfältet som skapas av systemet mitt emot det externa fältet. Detta resulterar i en negativ magnetisk permeabilitet för ett material som innehåller sådana element. Genom att ställa in parametrarna för metamaterialsystemet kan man få en negativ magnetisk respons i ett ganska brett spektrum av vågfrekvenser.

meta - byggnad

Formgivarnas dröm är att bygga ett system där vågorna helst skulle flyta runt objektet (7). År 2008 skapade forskare vid University of California, Berkeley, för första gången i historien, tredimensionella material som har ett negativt brytningsindex för synligt och nära-infrarött ljus, vilket böjer ljuset i en riktning motsatt dess naturliga riktning. De skapade ett nytt metamaterial genom att kombinera silver med magnesiumfluorid.

Sedan skärs den till en matris bestående av miniatyrnålar. Fenomenet negativ brytning har observerats vid våglängder på 1500 nm (nära infraröd). I början av 2010 skapade Tolga Ergin från Karlsruhe Institute of Technology och kollegor vid Imperial College London osynlig ljusgardin. Forskarna använde material som fanns på marknaden.

De använde fotoniska kristaller som lades på en yta för att täcka ett mikroskopiskt utsprång på en guldplatta. Så metamaterialet skapades av speciella linser. Linserna mittemot puckeln på plattan är placerade på ett sådant sätt att de genom att avleda en del av ljusvågorna eliminerar spridningen av ljus på utbuktningen. Genom att observera plattan under ett mikroskop och använda ljus med en våglängd nära den för synligt ljus, såg forskarna en platt platta.

Senare lyckades forskare från Duke University och Imperial College London få en negativ reflektion av mikrovågsstrålning. För att uppnå denna effekt måste enskilda element i metamaterialstrukturen vara mindre än ljusets våglängd. Så det är en teknisk utmaning som kräver produktion av mycket små metamaterialstrukturer som matchar våglängden av ljus som de ska bryta.

Synligt ljus (violett till rött) har en våglängd på 380 till 780 nanometer (en nanometer är en miljarddels meter). Nanoteknologer från Scottish University of St. Andrews kom till undsättning. De fick ett enda lager av extremt tätmaskigt metamaterial. Sidorna i New Journal of Physics beskriver en metaflex som kan böja våglängder på cirka 620 nanometer (orange-rött ljus).

2012 kom en grupp amerikanska forskare vid University of Texas i Austin på ett helt annat knep med hjälp av mikrovågor. En cylinder med en diameter på 18 cm belades med ett plasmamaterial med negativ impedans, vilket möjliggör manipulering av egenskaperna. Om det har exakt motsatta optiska egenskaper av det dolda objektet skapar det ett slags "negativ".

Således överlappar de två vågorna och objektet blir osynligt. Som ett resultat kan materialet böja flera olika frekvensområden för vågen så att de flyter runt objektet, konvergerar på andra sidan av det, vilket kanske inte är märkbart för en utomstående observatör. Teoretiska begrepp förökar sig.

För ungefär ett dussin månader sedan publicerade Advanced Optical Materials en artikel om en möjligen banbrytande studie av forskare vid University of Central Florida. Vem vet om de misslyckades med att övervinna de befintliga restriktionerna på "osynliga hattar» Byggd av metamaterial. Enligt den information de publicerat är det möjligt att föremålet försvinner i det synliga ljusområdet.

7. Teoretiska sätt att böja ljus på ett osynligt föremål

Debashis Chanda och hans team beskriver användningen av ett metamaterial med en tredimensionell struktur. Det gick att få tack vare den sk. nanotransfer printing (NTP), som producerar metall-dielektriska band. Brytningsindexet kan ändras med nanoteknikmetoder. Ljusutbredningsvägen måste styras i materialets tredimensionella ytstruktur med hjälp av den elektromagnetiska resonansmetoden.

Forskare är mycket försiktiga i sina slutsatser, men från beskrivningen av deras teknik är det ganska tydligt att beläggningar av ett sådant material kan avleda elektromagnetiska vågor i stor utsträckning. Dessutom tillåter det sätt på vilket det nya materialet erhålls produktion av stora områden, vilket fick en del att drömma om jaktplan täckta av sådant kamouflage som skulle ge dem osynlighet komplett, från radar till dagsljus.

Döljande enheter som använder metamaterial eller optiska tekniker orsakar inte det faktiska försvinnandet av föremål, utan bara deras osynlighet för detektionsverktyg, och snart, kanske, för ögat. Men det finns redan mer radikala idéer. Jeng Yi Lee och Ray-Kuang Lee från Taiwan National Tsing Hua University föreslog ett teoretiskt koncept av en kvant "osynlighetsmantel" som kan ta bort föremål inte bara från synfältet utan också från verkligheten som helhet.

Detta kommer att fungera liknande det som diskuterades ovan, men Schrödinger-ekvationen kommer att användas istället för Maxwells ekvationer. Poängen är att sträcka ut objektets sannolikhetsfält så att det blir lika med noll. Teoretiskt är detta möjligt i mikroskala. Det kommer dock att ta lång tid att vänta på de tekniska möjligheterna att tillverka ett sådant lock. Som vilken som helst"osynlighetslock"Vilket kan sägas att hon verkligen dolde något för vår syn.