Uudet metamateriaalit: valo hallinnassa
Monet raportit "metamateriaaleista" (lainausmerkeissä, koska määritelmä alkaa hämärtyä) saavat meidät ajattelemaan niitä melkein ihmelääkenä kaikkiin ongelmiin, kipuihin ja rajoituksiin, joita nykyaikainen teknologiamaailma kohtaa. Viime aikoina mielenkiintoisimmat käsitteet koskevat optisia tietokoneita ja virtuaalitodellisuutta.
suhteessa hypoteettiset tulevaisuuden tietokoneetEsimerkkinä voidaan mainita Tel Avivin Israelin TAU-yliopiston asiantuntijoiden tutkimus. He suunnittelevat monikerroksisia nanomateriaaleja, joita pitäisi käyttää optisten tietokoneiden luomiseen. Sveitsin Paul Scherrer -instituutin tutkijat puolestaan rakensivat kolmivaiheisen aineen miljardista minimagneetista, jotka pystyvät simuloida kolmea aggregaattitilaa, analogisesti veden kanssa.
Mihin sitä voidaan käyttää? Israelilaiset haluavat rakentaa. Sveitsiläiset puhuvat tiedonsiirrosta ja tallentamisesta sekä spintroniikasta yleensä.
Minimagneeteista valmistettu kolmivaiheinen metamateriaali, joka jäljittelee veden kolmea tilaa.
Fotonit tilauksesta
Energiaministeriön Lawrence Berkeley National Laboratoryn tutkijoiden tutkimus voi johtaa metamateriaaleihin perustuvien optisten tietokoneiden kehittämiseen. He ehdottavat sellaisen laserkehyksen luomista, joka voi siepata tiettyjä atomipaketteja tiettyyn paikkaan ja luoda tiukasti suunnitellun, kontrolloidun valopohjainen rakenne. Se muistuttaa luonnollisia kristalleja. Yhdellä erolla - se on melkein täydellinen, luonnollisissa materiaaleissa ei havaita vikoja.
Tutkijat uskovat, että he eivät vain pysty hallitsemaan tiukasti atomiryhmien sijaintia "kevykiteissään", vaan myös aktiivisesti vaikuttamaan yksittäisten atomien käyttäytymiseen käyttämällä toista laseria (lähellä infrapuna-aluetta). Ne saavat ne esimerkiksi pyydettäessä säteilemään tiettyä energiaa – jopa yksittäinen fotoni, joka yhdestä paikasta kristallia poistettaessa voi vaikuttaa toiseen loukkuun jääneeseen atomiin. Se on eräänlaista yksinkertaista tiedonvaihtoa.
Kyky vapauttaa fotoni nopeasti hallitusti ja siirtää se pienellä häviöllä atomista toiseen on tärkeä tiedonkäsittelyvaihe kvanttilaskennassa. Voidaan kuvitella käyttävän kokonaisia ohjattuja fotoneja erittäin monimutkaisten laskelmien suorittamiseen - paljon nopeammin kuin nykyaikaisten tietokoneiden käyttäminen. Keinotekoiseen kristalliin upotetut atomit voivat myös hypätä paikasta toiseen. Tässä tapauksessa niistä tulisi itse tiedon kantajia kvanttitietokoneessa tai ne voisivat luoda kvanttisensorin.
Tutkijat ovat havainneet, että rubidiumatomit ovat ihanteellisia tarkoituksiinsa. Barium-, kalsium- tai cesiumatomeja voidaan kuitenkin siepata myös keinotekoisella laserkiteellä, koska niillä on samanlaiset energiatasot. Tehdäkseen ehdotetun metamateriaalin todellisessa kokeessa tutkimusryhmän täytyisi vangita muutama atomi keinotekoiseen kidehilaan ja pitää ne siellä jopa jännittyneinä korkeampiin energiatiloihin.
Virtuaalitodellisuus ilman optisia vikoja
Metamateriaalit voisivat löytää hyödyllisiä sovelluksia toisella kehittyvällä teknologian alueella -. Virtuaalitodellisuudella on monia erilaisia rajoituksia. Optiikan tuntemillamme epätäydellisyyksillä on merkittävä rooli. Täydellistä optista järjestelmää on käytännössä mahdotonta rakentaa, koska aina on niin sanottuja poikkeamia, ts. eri tekijöiden aiheuttamia aaltovääristymiä. Olemme tietoisia pallomaisista ja kromaattisista poikkeavuuksista, astigmatismista, koomasta ja monista muista optiikan haittavaikutuksista. Kaikkien virtuaalitodellisuussarjoja käyttäneiden on täytynyt käsitellä näitä ilmiöitä. On mahdotonta suunnitella VR-optiikkaa, joka on kevyt, tuottaa laadukkaita kuvia, joissa ei ole näkyvää sateenkaari (kromaattinen poikkeama), antaa laajan näkökentän ja on halpa. Tämä on vain epätodellista.
Tästä syystä VR-laitteiden valmistajat Oculus ja HTC käyttävät niin kutsuttuja Fresnel-linssejä. Tämän avulla voit saada huomattavasti vähemmän painoa, poistaa kromaattiset poikkeamat ja saada suhteellisen alhaisen hinnan (materiaali tällaisten linssien valmistukseen on halpaa). Valitettavasti taittorenkaat aiheuttavat w Fresnel-linssit kontrastin merkittävä pudotus ja keskipakoisen hehkun luominen, mikä on erityisen havaittavissa silloin, kun kohtauksessa on suuri kontrasti (musta tausta).
Äskettäin Federico Capasson johtamat Harvardin yliopiston tutkijat onnistuivat kuitenkin kehittämään ohut ja litteä linssi metamateriaaleista. Lasin nanorakennekerros on ohuempi kuin ihmisen hiukset (0,002 mm). Siinä ei vain ole tyypillisiä haittoja, vaan se tarjoaa myös paljon paremman kuvanlaadun kuin kalliit optiset järjestelmät.
Capasso-linssi, toisin kuin tyypilliset kuperat linssit, jotka taivuttavat ja sirottavat valoa, muuttaa valoaallon ominaisuuksia kvartsilasille kerrostuneiden pinnasta ulkonevien mikroskooppisten rakenteiden vuoksi. Jokainen tällainen reunus taittaa valoa eri tavalla ja muuttaa sen suuntaa. Siksi on tärkeää jakaa oikein tällainen nanorakenne (kuvio), joka on tietokoneella suunniteltu ja valmistettu tietokoneprosessorien kaltaisilla menetelmillä. Tämä tarkoittaa, että tämän tyyppisiä linssejä voidaan valmistaa samoissa tehtaissa kuin ennenkin tunnettuja valmistusmenetelmiä käyttäen. Sputteroinnissa käytetään titaanidioksidia.
On syytä mainita toinen innovatiivinen "meta-optiikan" ratkaisu. metamateriaaliset hyperlinssitotettu Buffalon amerikkalaisessa yliopistossa. Hyperlinssien ensimmäiset versiot tehtiin hopeasta ja dielektrisestä materiaalista, mutta ne toimivat vain hyvin kapealla aallonpituusalueella. Buffalon tutkijat käyttivät samankeskistä kultasauvojen järjestelyä termoplastisessa kotelossa. Se toimii näkyvän valon aallonpituusalueella. Tutkijat havainnollistavat uudesta ratkaisusta johtuvaa resoluution kasvua esimerkkinä lääketieteellisen endoskoopin avulla. Se tunnistaa yleensä jopa 10 250 nanometrin kokoiset esineet, ja hyperlinssien asentamisen jälkeen se "pudottaa" XNUMX nanometriin. Suunnittelu voittaa diffraktio-ongelman, ilmiön, joka vähentää merkittävästi optisten järjestelmien resoluutiota - aaltovääristymän sijaan ne muunnetaan aalloksi, jotka voidaan tallentaa myöhemmissä optisissa laitteissa.
Nature Communicationsissa julkaistun julkaisun mukaan tätä menetelmää voidaan käyttää monilla aloilla lääketieteestä yksittäisten molekyylien havaintoihin. On tarkoituksenmukaista odottaa metamateriaaleihin perustuvia betonilaitteita. Ehkä ne antavat virtuaalitodellisuuden lopulta saavuttaa todellista menestystä. Mitä tulee "optisiin tietokoneisiin", ne ovat vielä melko kaukaisia ja epämääräisiä näkymiä. Mitään ei kuitenkaan voi sulkea pois...
