"Invisibility Caps" er stadig usynlige

Den seneste i rækken af ​​"usynlighedens kapper" er den, der er født på University of Rochester (1), som bruger det passende optiske system. Men skeptikere kalder det en slags illusionistisk trick eller speciel effekt, hvor et smart linsesystem bryder lyset og bedrager iagttagerens syn.

Der er noget ret avanceret matematik bag det hele – videnskabsmænd skal bruge det til at finde ud af, hvordan man opsætter de to linser, så lyset brydes på en sådan måde, at de kan skjule objektet direkte bag dem. Denne løsning virker ikke kun, når man ser direkte på linserne - en vinkel på 15 grader eller en anden er nok.

1. "Invisibility Cap" fra University of Rochester.

Det kan bruges i biler til at fjerne blinde vinkler i spejle eller på operationsstuer, så kirurger kan se gennem deres hænder. Dette er endnu en i en lang række af åbenbaringer om usynlig teknologider er kommet til os i de senere år.

I 2012 hørte vi allerede om "Cap of Invisibility" fra det amerikanske Duke University. Kun de mest nysgerrige læste dengang, at det handlede om usynligheden af ​​en lille cylinder i et lillebitte fragment af mikrobølgespektret. Et år tidligere rapporterede Duke-embedsmænd om sonar-stealth-teknologi, der kan virke lovende i nogle kredse.

Det var det desværre usynlighed kun fra et vist synspunkt og i et snævert omfang, hvilket gjorde teknologien til ringe nytte. I 2013 foreslog de utrættelige ingeniører hos Duke en 3D-printet enhed, der camouflerede et objekt placeret inde med mikrohuller i strukturen (2). Men igen skete dette i et begrænset antal bølger og kun fra et bestemt synspunkt.

På de fotografier, der blev offentliggjort på internettet, så kappen af ​​det canadiske firma Hyperstealth lovende ud, som i 2012 blev annonceret under det spændende navn Quantum Stealth (3). Desværre er fungerende prototyper aldrig blevet demonstreret, og det er heller ikke blevet forklaret, hvordan det fungerer. Virksomheden nævner sikkerhedsproblemer som årsagen og rapporterer kryptisk, at det er ved at forberede hemmelige versioner af produktet til militæret.

Frontskærm, bagkamera

Første moderneusynlighedshætte»Introduceret for ti år siden af ​​den japanske ingeniør Prof. Susumu Tachi fra University of Tokyo. Han brugte et kamera placeret bag en mand iført en frakke, der også var en skærm. Billedet fra det bagerste kamera blev projiceret på det. Den kappede mand var "usynlig". Et lignende trick bruges af Adaptiv-køretøjscamouflageanordningen, som blev introduceret i det foregående årti af BAE Systems (4).

Den viser et infrarødt billede "bagfra" på tankens panser. Sådan en maskine ses simpelthen ikke i sigteapparater. Ideen om at maskere objekter tog form i 2006. John Pendry fra Imperial College London, David Schurig og David Smith fra Duke University publicerede teorien om "transformationsoptik" i Science og præsenterede, hvordan den virker i tilfælde af mikrobølger (længere bølgelængder end synligt lys).

2. En "usynlighedshætte" trykt i tre dimensioner.

Ved hjælp af passende metamaterialer kan en elektromagnetisk bølge bøjes på en sådan måde, at den omgår det omgivende objekt og vender tilbage til dets nuværende vej. Parameteren, der karakteriserer mediets generelle optiske reaktion, er brydningsindekset, som bestemmer, hvor mange gange langsommere end i vakuum, lys bevæger sig i dette medium. Vi beregner det som roden af ​​produktet af relativ elektrisk og magnetisk permeabilitet.

relativ elektrisk permeabilitet; bestemmer, hvor mange gange den elektriske vekselvirkningskraft i et givet stof er mindre end vekselvirkningskraften i vakuum. Derfor er det et mål for, hvor stærkt de elektriske ladninger i et stof reagerer på et eksternt elektrisk felt. De fleste stoffer har en positiv permittivitet, hvilket betyder, at feltet ændret af stoffet stadig har samme betydning som det ydre felt.

Den relative magnetiske permeabilitet m bestemmer, hvordan magnetfeltet ændrer sig i et rum fyldt med et givet materiale, sammenlignet med det magnetiske felt, der ville eksistere i et vakuum med den samme eksterne magnetfeltkilde. For alle naturligt forekommende stoffer er den relative magnetiske permeabilitet positiv. For transparente medier som glas eller vand er alle tre mængder positive.

Derefter brydes lys, der passerer fra vakuum eller luft (luftparametre er kun lidt forskellige fra vakuum) ind i mediet, i henhold til brydningsloven, og forholdet mellem sinus for indfaldsvinklen og sinus for brydningsvinklen er lig med brydningsindekset for dette medium. Værdien er mindre end nul; og m betyder, at elektronerne inde i mediet bevæger sig i den modsatte retning af kraften skabt af det elektriske eller magnetiske felt.

Det er præcis, hvad der sker i metaller, hvor den frie elektrongas gennemgår sine egne svingninger. Hvis frekvensen af ​​en elektromagnetisk bølge ikke overstiger frekvensen af ​​disse naturlige oscillationer af elektroner, så skærmer disse oscillationer bølgens elektriske felt så effektivt, at de ikke tillader den at trænge dybt ind i metallet og endda skabe et felt rettet modsat til det ydre felt.

Som følge heraf er permittiviteten af ​​et sådant materiale negativ. Ude af stand til at trænge dybt ind i metallet reflekteres elektromagnetisk stråling fra metallets overflade, og selve metallet får en karakteristisk glans. Hvad hvis begge typer permittivitet var negative? Dette spørgsmål blev stillet i 1967 af den russiske fysiker Viktor Veselago. Det viser sig, at brydningsindekset for et sådant medium er negativt, og lys brydes på en helt anden måde, end det følger af den sædvanlige brydningslov.

5. Negativ brydning på overfladen af ​​et metamateriale - visualisering

Derefter overføres energien fra den elektromagnetiske bølge fremad, men den elektromagnetiske bølges maksima bevæger sig i modsat retning af impulsens form og den overførte energi. Sådanne materialer findes ikke i naturen (der er ingen stoffer med negativ magnetisk permeabilitet). Kun i 2006-publikationen nævnt ovenfor og i mange andre publikationer skabt i de efterfølgende år, var det muligt at beskrive og derfor bygge kunstige strukturer med et negativt brydningsindeks (5).

De kaldes metamaterialer. Det græske præfiks "meta" betyder "efter", det vil sige, disse er strukturer lavet af naturlige materialer. Metamaterialer opnår de egenskaber, de har brug for, ved at bygge små elektriske kredsløb, der efterligner materialets magnetiske eller elektriske egenskaber. Mange metaller har en negativ elektrisk permeabilitet, så det er nok at give plads til elementer, der giver en negativ magnetisk respons.

I stedet for et homogent metal er en masse tynde metaltråde arrangeret i form af et kubisk gitter fastgjort til en plade af isolerende materiale. Ved at ændre diameteren af ​​ledningerne og afstanden mellem dem er det muligt at justere frekvensværdierne, ved hvilke strukturen vil have en negativ elektrisk permeabilitet. For at opnå negativ magnetisk permeabilitet i det enkleste tilfælde består designet af to knækkede ringe lavet af en god leder (for eksempel guld, sølv eller kobber) og adskilt af et lag af et andet materiale.

Sådan et system kaldes en splitring-resonator - forkortet SRR, fra engelsk. Split-ring resonator (6). På grund af hullerne i ringene og afstanden mellem dem har den en vis kapacitans, ligesom en kondensator, og da ringene er lavet af ledende materiale, har den også en vis induktans, dvs. evne til at generere strøm.

Ændringer i det eksterne magnetfelt fra den elektromagnetiske bølge får en strøm til at flyde i ringene, og denne strøm skaber et magnetfelt. Det viser sig, at med et passende design er det magnetiske felt, der skabes af systemet, rettet modsat det eksterne felt. Dette resulterer i en negativ magnetisk permeabilitet af et materiale, der indeholder sådanne elementer. Ved at indstille metamaterialesystemets parametre kan man opnå en negativ magnetisk respons i et ret bredt spektrum af bølgefrekvenser.

meta - bygning

Designernes drøm er at bygge et system, hvor bølgerne ideelt set flyder rundt om objektet (7). I 2008 skabte forskere ved University of California, Berkeley, for første gang i historien, tredimensionelle materialer, der har et negativt brydningsindeks for synligt og nær-infrarødt lys, der bøjer lyset i en retning modsat dets naturlige retning. De skabte et nyt metamateriale ved at kombinere sølv med magnesiumfluorid.

Derefter skæres det i en matrix bestående af miniaturenåle. Fænomenet negativ refraktion er blevet observeret ved bølgelængder på 1500 nm (nær infrarød). I begyndelsen af ​​2010 oprettede Tolga Ergin fra Karlsruhe Institute of Technology og kolleger ved Imperial College London usynlig lysgardin. Forskerne brugte materialer, der var tilgængelige på markedet.

De brugte fotoniske krystaller lagt på en overflade til at dække et mikroskopisk fremspring på en guldplade. Så metamaterialet blev skabt af specielle linser. Linserne modsat pukkelen på pladen er placeret på en sådan måde, at de ved at afbøje en del af lysbølgerne eliminerer spredningen af ​​lys på bulen. Ved at observere pladen under et mikroskop ved at bruge lys med en bølgelængde tæt på synligt lys, så forskerne en flad plade.

Senere var forskere fra Duke University og Imperial College London i stand til at opnå en negativ refleksion af mikrobølgestråling. For at opnå denne effekt skal individuelle elementer i metamaterialestrukturen være mindre end lysets bølgelængde. Så det er en teknisk udfordring, der kræver produktion af meget små metamateriale strukturer, der matcher bølgelængden af ​​lys, de formodes at bryde.

Synligt lys (violet til rødt) har en bølgelængde på 380 til 780 nanometer (en nanometer er en milliardtedel af en meter). Nanoteknologer fra det skotske universitet i St. Andrews kom til undsætning. De fik et enkelt lag ekstremt tætmasket metamateriale. Siderne i New Journal of Physics beskriver en metaflex, der er i stand til at bøje bølgelængder på omkring 620 nanometer (orange-rødt lys).

I 2012 fandt en gruppe amerikanske forskere ved University of Texas i Austin på et helt andet trick ved hjælp af mikrobølger. En cylinder med en diameter på 18 cm blev belagt med et plasmamateriale med negativ impedans, som tillader manipulation af egenskaberne. Hvis det har præcis de modsatte optiske egenskaber af det skjulte objekt, skaber det en slags "negativ".

De to bølger overlapper således hinanden, og objektet bliver usynligt. Som et resultat kan materialet bøje flere forskellige frekvensområder af bølgen, så de flyder rundt om objektet og konvergerer på den anden side af det, hvilket måske ikke er mærkbart for en udefrakommende observatør. Teoretiske begreber formerer sig.

For omkring et dusin måneder siden offentliggjorde Advanced Optical Materials en artikel om en muligvis banebrydende undersøgelse foretaget af forskere ved University of Central Florida. Hvem ved, om de ikke formåede at overvinde de eksisterende restriktioner på "usynlige hatte»Bygget af metamaterialer. Ifølge de oplysninger, de offentliggjorde, er det muligt, at objektet forsvinder i det synlige lysområde.

7. Teoretiske måder at bøje lys på en usynlig genstand

Debashis Chanda og hans team beskriver brugen af ​​et metamateriale med en tredimensionel struktur. Det var muligt at få det takket være den såkaldte. nanotransfer printing (NTP), som producerer metal-dielektriske bånd. Brydningsindekset kan ændres ved hjælp af nanoteknologiske metoder. Lysets udbredelsesvej skal styres i materialets tredimensionelle overfladestruktur ved hjælp af den elektromagnetiske resonansmetode.

Forskere er meget forsigtige i deres konklusioner, men fra beskrivelsen af ​​deres teknologi er det helt klart, at belægninger af et sådant materiale er i stand til at afbøje elektromagnetiske bølger i vid udstrækning. Derudover tillader den måde, det nye materiale er opnået på, produktion af store områder, hvilket fik nogle til at drømme om jagerfly dækket af en sådan camouflage, der ville give dem usynlighed komplet, fra radar til dagslys.

Skjulningsanordninger, der bruger metamaterialer eller optiske teknikker, forårsager ikke den faktiske forsvinden af ​​objekter, men kun deres usynlighed for detektionsværktøjer, og snart måske for øjet. Der er dog allerede mere radikale ideer. Jeng Yi Lee og Ray-Kuang Lee fra National Taiwan Tsing Hua University foreslog et teoretisk koncept om en kvante "cap of usynlighed", der kan fjerne objekter ikke kun fra synsfeltet, men også fra virkeligheden som helhed.

Dette vil fungere på samme måde som det, der blev diskuteret ovenfor, men Schrödinger-ligningen vil blive brugt i stedet for Maxwells ligninger. Pointen er at strække objektets sandsynlighedsfelt, så det er lig med nul. Teoretisk set er dette muligt på mikroskala. Det vil dog tage lang tid at vente på de teknologiske muligheder for at fremstille et sådant cover. Som enhver "usynlighedshætte"Hvilket kan siges, at hun virkelig skjulte noget fra vores synspunkt.