Nye metamaterialer: lys under kontrol

Overfloden af ​​rapporter om "metamaterialer" (i anførselstegn, fordi definitionen begynder at blive sløret) får os til at tænke på dem næsten som et vidundermiddel for alle de problemer, smerter og begrænsninger, som den moderne teknologiske verden står over for. De mest interessante koncepter involverer for nylig optisk databehandling og virtual reality.

i et forhold fremtidens hypotetiske computereEksempler omfatter undersøgelser af specialister fra det israelske TAU Universitet i Tel Aviv. De designer flerlags nanomaterialer, der vil muliggøre skabelsen af ​​optiske computere. Til gengæld har forskere fra det schweiziske Paul Scherrer Institut bygget et trefaset stof ud fra en milliard miniaturemagneter, der er i stand til at simulere tre aggregeringstilstande, analogt med vand.

Hvad kan det bruges til? Israelerne vil bygge. Schweizerne taler om datatransmission og -registrering samt spintronik generelt.

Trefaset metamateriale lavet af minimagneter, der simulerer vandets tre tilstande.

Fotoner på efterspørgsel

Forskning udført af forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory kan føre til udviklingen af ​​optiske computere baseret på metamaterialer. De foreslår at skabe en slags laserramme, der kan fange specifikke pakker af atomer på et bestemt sted, hvilket skaber en strengt designet, kontrolleret lys baseret struktur. Det ligner naturlige krystaller. Med én forskel - det er næsten perfekt; ingen defekter observeres i naturlige materialer.

Forskere mener, at de ikke kun vil være i stand til at kontrollere positionen af ​​grupper af atomer i deres "lette krystal", men også aktivt påvirke individuelle atomers adfærd ved hjælp af en anden laser (nær-infrarød). De vil f.eks. tvinge dem til at udsende en bestemt energi efter behov – selv en enkelt foton, som, når den fjernes fra et sted i krystallen, kan påvirke et atom fanget i et andet. Det bliver en slags simpel udveksling af information.

Evnen til hurtigt at frigive en foton på en kontrolleret måde og overføre den med lavt tab fra et atom til et andet er et vigtigt informationsbehandlingstrin for kvanteberegning. Man kan forestille sig at bruge hele arrays af kontrollerede fotoner til at udføre meget komplekse beregninger - meget hurtigere end at bruge moderne computere. Atomer indlejret i en kunstig krystal kan også hoppe fra et sted til et andet. I dette tilfælde ville de selv blive informationsbærere i en kvantecomputer eller kunne skabe en kvantesensor.

Forskere har fundet ud af, at rubidium-atomer er ideelle til deres formål. Barium-, calcium- eller cæsiumatomer kan dog også fanges af en kunstig laserkrystal, fordi de har lignende energiniveauer. For at lave det foreslåede metamateriale i et rigtigt eksperiment skulle forskerholdet fange adskillige atomer i et kunstigt krystalgitter og holde dem der, selv når de blev ophidset til højere energitilstande.

Virtual reality uden optiske defekter

Metamaterialer kunne også finde nyttige anvendelser i et andet teknologisk område i udvikling - . Virtual reality har mange forskellige begrænsninger. De ufuldkommenheder i optikken, vi kender, spiller en væsentlig rolle. Det er næsten umuligt at bygge et perfekt optisk system, for der er altid såkaldte aberrationer, dvs. bølgeforvrængning forårsaget af forskellige faktorer. Vi er opmærksomme på sfæriske og kromatiske aberrationer, astigmatisme, koma og mange, mange andre negative virkninger af optik. Enhver, der har brugt virtual reality-sæt, har sandsynligvis beskæftiget sig med disse fænomener. Det er umuligt at designe VR-optik, der er let, producerer billeder i høj kvalitet, har ingen synlige regnbuer (kromatiske aberrationer), har et stort synsfelt og er billige. Det her er bare uvirkeligt.

Det er derfor, producenter af VR-udstyr - Oculus og HTC - bruger såkaldte Fresnel-linser. Dette giver dig mulighed for at opnå betydeligt mindre vægt, eliminere kromatiske aberrationer og få en relativt lav pris (materialet til produktion af sådanne linser er billigt). Desværre forårsager brydningsringe w Fresnel linser et markant fald i kontrast og skabelsen af ​​en centrifugal glød, hvilket især er mærkbart, hvor scenen har høj kontrast (sort baggrund).

For nylig lykkedes det dog forskere fra Harvard University, ledet af Federico Capasso, at udvikle sig tynd og flad linse ved hjælp af metamaterialer. Nanostrukturlaget på glas er tyndere end et menneskehår (0,002 mm). Ikke alene har det ikke de typiske ulemper, men det giver også meget bedre billedkvalitet end dyre optiske systemer.

Capasso-linsen ændrer i modsætning til typiske konvekse linser, der bøjer og spreder lys, lysbølgens egenskaber på grund af mikroskopiske strukturer, der stikker ud fra overfladen, aflejret på kvartsglas. Hver sådan afsats bryder lys forskelligt og ændrer retning. Derfor er det vigtigt at distribuere en sådan nanostruktur (mønster) korrekt, som er designet på en computer og produceret ved hjælp af metoder, der ligner computerprocessorer. Det betyder, at denne type linse kan fremstilles på de samme fabrikker som tidligere ved hjælp af kendte processer. Titandioxid bruges til sputtering.

Det er værd at nævne en anden innovativ løsning af "meta-optik". metamateriale hyperlinsertaget på American University at Buffalo. De første versioner af hyperlinser var lavet af sølv og et dielektrisk materiale, men de virkede kun i et meget snævert bølgelængdeområde. Buffalo-forskerne brugte et koncentrisk arrangement af guldstænger i et termoplastisk hus. Det virker i bølgelængdeområdet for synligt lys. Forskerne illustrerer stigningen i opløsning som følge af den nye løsning med et medicinsk endoskop som eksempel. Den genkender typisk objekter op til 10 nanometer, og efter installation af hyperlinser "går den ned" til 250 nanometer. Designet overvinder problemet med diffraktion, et fænomen, der væsentligt reducerer opløsningen af ​​optiske systemer - i stedet for bølgeforvrængninger omdannes de til bølger, der kan optages i efterfølgende optiske enheder.

Ifølge en publikation i Nature Communications kan denne metode bruges på mange områder, lige fra medicin til observation af individuelle molekyler. Det er hensigtsmæssigt at vente på konkrete enheder baseret på metamaterialer. Måske vil de tillade virtual reality endelig at blive en reel succes. Hvad angår "optiske computere", er disse stadig ret fjerne og vage udsigter. Intet kan dog udelukkes...