"Invisibility Caps" ovat edelleen näkymättömiä

Viimeisin "näkymättömyyden viitta" -sarjassa on Rochesterin yliopistossa syntynyt (1), joka käyttää asianmukaista optista järjestelmää. Skeptikot kutsuvat sitä kuitenkin jonkinlaiseksi illusionistiseksi tempuksi tai erikoistehosteeksi, jossa näppärä linssijärjestelmä taittaa valoa ja pettää tarkkailijan näön.

Kaiken takana on melko edistynyt matematiikka – tutkijoiden on käytettävä sitä löytääkseen, kuinka kaksi linssiä asetetaan niin, että valo taittuu siten, että he voivat piilottaa kohteen suoraan niiden taakse. Tämä ratkaisu ei toimi vain suoraan linsseihin katsottaessa - 15 asteen tai muu kulma riittää.

1. "Invisibility Cap" Rochesterin yliopistosta.

Sitä voidaan käyttää autoissa kuolleiden kulmien poistamiseen peileistä tai leikkaussaleista, jolloin kirurgit näkevät käsiensä läpi. Tämä on toinen pitkästä paljastusten sarjasta näkymätöntä tekniikkaajotka ovat tulleet meille viime vuosina.

Vuonna 2012 kuulimme jo amerikkalaisesta Duke Universitystä "Cap of Invisibility". Vain uteliaisimmat lukivat silloin, että kyse oli pienen sylinterin näkymättömyydestä mikroaaltospektrin pienessä fragmentissa. Vuotta aiemmin Duke-virkailijat raportoivat kaikuluotaimen stealth-tekniikasta, joka saattaa vaikuttaa lupaavalta joissakin piireissä.

Valitettavasti se oli näkymättömyys vain tietystä näkökulmasta ja kapeassa laajuudessa, mikä teki tekniikasta vain vähän hyötyä. Vuonna 2013 Duken väsymättömät insinöörit ehdottivat 3D-tulostettua laitetta, joka naamioi sisään asetetun esineen mikrorei'illä rakenteessa (2). Tämä tapahtui kuitenkin jälleen rajoitetulla aaltoalueella ja vain tietystä näkökulmasta.

Internetissä julkaistuissa valokuvissa lupaavalta näytti kanadalaisen Hyperstealth-yhtiön viitta, jota vuonna 2012 mainostettiin kiehtovalla nimellä Quantum Stealth (3). Valitettavasti toimivia prototyyppejä ei ole koskaan esitelty, eikä sen toimintaa ole selitetty. Yhtiö mainitsee syynä tietoturvakysymykset ja raportoi salaperäisesti valmistelevansa tuotteen salaisia ​​versioita armeijalle.

Etumonitori, takakamera

Ensimmäinen moderninäkymättömyyskorkki» Esitteli kymmenen vuotta sitten japanilainen insinööri Prof. Susumu Tachi Tokion yliopistosta. Hän käytti kameraa, joka oli sijoitettu miehen taakse, jolla oli takki ja joka oli myös näyttö. Takakameran kuva heijastettiin siihen. Viitoitettu mies oli "näkymätön". Samanlaista temppua käyttää Adaptiv-ajoneuvojen naamiointilaite, jonka BAE Systems esitteli edellisellä vuosikymmenellä (4).

Se näyttää infrapunakuvan "takapuolelta" tankin panssariin. Tällaista konetta ei yksinkertaisesti nähdä tähtäinlaitteissa. Ajatus esineiden peittämisestä syntyi vuonna 2006. John Pendry Imperial Collegesta Lontoosta, David Schurig ja David Smith Duken yliopistosta julkaisivat "muunnosoptiikan" teorian Science-lehdessä ja esittelivät, kuinka se toimii mikroaaltojen tapauksessa (pidemmät aallonpituudet kuin näkyvä valo).

2. "Näkymättömyyskorkki", joka on painettu kolmiulotteisesti.

Sopivien metamateriaalien avulla sähkömagneettista aaltoa voidaan taivuttaa siten, että se ohittaa ympäröivän kohteen ja palaa nykyiselle polulleen. Väliaineen yleistä optista reaktiota kuvaava parametri on taitekerroin, joka määrittää kuinka monta kertaa tyhjiötä hitaammin valo liikkuu tässä väliaineessa. Laskemme sen suhteellisen sähköisen ja magneettisen permeabiliteetin tulon juureksi.

suhteellinen sähköinen läpäisevyys; määrittää kuinka monta kertaa sähköinen vuorovaikutusvoima tietyssä aineessa on pienempi kuin vuorovaikutusvoima tyhjiössä. Siksi se on mitta siitä, kuinka voimakkaasti aineen sähkövaraukset reagoivat ulkoiseen sähkökenttään. Useimmilla aineilla on positiivinen permittiivisyys, mikä tarkoittaa, että aineen muuttamalla kentällä on edelleen sama merkitys kuin ulkoisella kentällä.

Suhteellinen magneettinen permeabiliteetti m määrittää, kuinka magneettikenttä muuttuu tietyllä materiaalilla täytetyssä tilassa verrattuna magneettikenttään, joka vallitsisi tyhjiössä samalla ulkoisella magneettikentän lähteellä. Kaikkien luonnossa esiintyvien aineiden suhteellinen magneettinen permeabiliteetti on positiivinen. Läpinäkyvälle materiaalille, kuten lasille tai vedelle, kaikki kolme määrää ovat positiivisia.

Sitten alipaineesta tai ilmasta (ilman parametrit eroavat vain vähän tyhjiöstä) väliaineeseen siirtyvä valo taittuu taittumislain mukaan ja tulokulman sinin suhde taitekulman siniin on yhtä suuri kuin tämän väliaineen taitekerroin. Arvo on pienempi kuin nolla; ja m tarkoittaa, että väliaineen sisällä olevat elektronit liikkuvat vastakkaiseen suuntaan kuin sähkö- tai magneettikentän synnyttämä voima.

Juuri näin tapahtuu metalleissa, joissa vapaa elektronikaasu käy läpi omat värähtelynsä. Jos sähkömagneettisen aallon taajuus ei ylitä näiden elektronien luonnollisten värähtelyjen taajuutta, nämä värähtelyt suojaavat aallon sähkökenttää niin tehokkaasti, että ne eivät anna sen tunkeutua syvälle metalliin ja jopa luoda vastakkaiseen suuntaan suuntautuvaa kenttää. ulkoiselle kentälle.

Tämän seurauksena tällaisen materiaalin permittiivisyys on negatiivinen. Sähkömagneettinen säteily heijastuu metallin pinnalta, koska se ei pysty tunkeutumaan syvälle metalliin, ja itse metalli saa tyypillisen kiillon. Entä jos molemmat permittiivisyystyypit olisivat negatiivisia? Tämän kysymyksen esitti vuonna 1967 venäläinen fyysikko Viktor Veselago. Osoittautuu, että tällaisen väliaineen taitekerroin on negatiivinen ja valo taittuu täysin eri tavalla kuin tavallisesta taittumislaista seuraa.

5. Negatiivinen taittuminen metamateriaalin pinnalla - visualisointi

Tällöin sähkömagneettisen aallon energia siirtyy eteenpäin, mutta sähkömagneettisen aallon maksimit liikkuvat liikemäärän ja siirretyn energian muotoon nähden vastakkaiseen suuntaan. Tällaisia ​​materiaaleja ei ole luonnossa (ei ole aineita, joilla on negatiivinen magneettinen permeabiliteetti). Vain edellä mainitussa 2006 julkaisussa ja monissa muissa myöhempinä vuosina syntyneissä julkaisuissa pystyttiin kuvaamaan ja siten rakentamaan keinotekoisia rakenteita negatiivisella taitekertoimella (5).

Niitä kutsutaan metamateriaaleiksi. Kreikan etuliite "meta" tarkoittaa "jälkeen", eli nämä ovat luonnonmateriaaleista valmistettuja rakenteita. Metamateriaalit hankkivat tarvitsemansa ominaisuudet rakentamalla pieniä sähköpiirejä, jotka jäljittelevät materiaalin magneettisia tai sähköisiä ominaisuuksia. Monilla metalleilla on negatiivinen sähköinen läpäisevyys, joten riittää, että jätetään tilaa elementeille, jotka antavat negatiivisen magneettisen vasteen.

Homogeenisen metallin sijaan eristysmateriaalilevyyn on kiinnitetty paljon ohuita metallilankoja, jotka on järjestetty kuutioruudukon muotoon. Muuttamalla johtojen halkaisijaa ja niiden välistä etäisyyttä on mahdollista säätää taajuusarvoja, joilla rakenteella on negatiivinen sähköinen läpäisevyys. Negatiivisen magneettisen läpäisevyyden saavuttamiseksi yksinkertaisimmassa tapauksessa rakenne koostuu kahdesta rikkoutuneesta renkaasta, jotka on valmistettu hyvästä johtimesta (esimerkiksi kullasta, hopeasta tai kuparista) ja jotka on erotettu kerroksesta toista materiaalia.

Tällaista järjestelmää kutsutaan split ring resonatoriksi - lyhennettynä SRR, englannista. Jaettu rengasresonaattori (6). Renkaiden rakoista ja niiden välisestä etäisyydestä johtuen sillä on tietty kapasitanssi, kuten kondensaattorilla, ja koska renkaat on valmistettu johtavasta materiaalista, sillä on myös tietty induktanssi, ts. kyky tuottaa virtoja.

Muutokset ulkoisessa magneettikentässä sähkömagneettisesta aallosta saavat virran kulkemaan renkaissa, ja tämä virta luo magneettikentän. Osoittautuu, että sopivalla suunnittelulla järjestelmän luoma magneettikenttä on suunnattu vastakkain ulkoisen kentän kanssa. Tämä johtaa tällaisia ​​elementtejä sisältävän materiaalin negatiiviseen magneettiseen permeabiliteettiin. Asettamalla metamateriaalijärjestelmän parametrit voidaan saada negatiivinen magneettivaste melko laajalla aaltotaajuusalueella.

meta - rakennus

Suunnittelijoiden unelma on rakentaa järjestelmä, jossa aallot ihanteellisesti virtaisivat kohteen ympäri (7). Vuonna 2008 Kalifornian yliopiston Berkeleyssä tutkijat loivat ensimmäistä kertaa historiassa kolmiulotteisia materiaaleja, joilla on negatiivinen taitekerroin näkyvälle ja lähi-infrapunavalolle ja jotka taivuttavat valoa sen luonnollisen suunnan vastaiseen suuntaan. He loivat uuden metamateriaalin yhdistämällä hopeaa magnesiumfluoridiin.

Sitten se leikataan matriisiksi, joka koostuu pienoisneuloista. Negatiivisen taittumisen ilmiö on havaittu aallonpituuksilla 1500 nm (lähin infrapuna). Vuoden 2010 alussa Tolga Ergin Karlsruhen teknologiainstituutista ja kollegat Imperial College Londonissa loivat näkymätön kevyt verho. Tutkijat käyttivät markkinoilla olevia materiaaleja.

He käyttivät pinnalle asetettuja fotonikiteitä peittämään kultalevyn mikroskooppisen ulkoneman. Joten metamateriaali luotiin erityisistä linsseistä. Levyn kohoumaa vastapäätä olevat linssit on sijoitettu siten, että ne kääntämällä osan valoaalloista eliminoivat valon sironnan pullistumalle. Tarkkailemalla levyä mikroskoopilla käyttämällä valoa, jonka aallonpituus on lähellä näkyvän valon aallonpituutta, tutkijat näkivät litteän levyn.

Myöhemmin Duke Universityn ja Lontoon Imperial Collegen tutkijat onnistuivat saamaan mikroaaltosäteilyn negatiivisen heijastuksen. Tämän vaikutuksen saavuttamiseksi metamateriaalirakenteen yksittäisten elementtien on oltava pienempiä kuin valon aallonpituus. Joten se on tekninen haaste, joka vaatii erittäin pienten metamateriaalirakenteiden tuottamista, jotka vastaavat valon aallonpituutta, jonka niiden oletetaan taittavan.

Näkyvän valon (violettista punaiseen) aallonpituus on 380-780 nanometriä (nanometri on metrin miljardisosa). Nanoteknikot Skotlannin St. Andrewsin yliopistosta tulivat apuun. Heillä oli yksi kerros erittäin tiheästi silottua metamateriaalia. New Journal of Physics -lehden sivuilla kuvataan metaflexiä, joka pystyy taivuttamaan noin 620 nanometrin aallonpituuksia (oranssinpunainen valo).

Vuonna 2012 ryhmä amerikkalaisia ​​tutkijoita Texasin yliopistosta Austinissa keksi täysin erilaisen tempun mikroaaltojen avulla. Sylinteri, jonka halkaisija oli 18 cm, päällystettiin negatiivisen impedanssin plasmamateriaalilla, joka mahdollistaa ominaisuuksien manipuloinnin. Jos sillä on täsmälleen päinvastaiset optiset ominaisuudet kuin piilossa, se luo eräänlaisen "negatiivin".

Siten nämä kaksi aaltoa menevät päällekkäin ja esineestä tulee näkymätön. Tämän seurauksena materiaali voi taivuttaa useita eri aallon taajuusalueita siten, että ne virtaavat kohteen ympärillä, suppenevat sen toisella puolella, mikä ei välttämättä ole ulkopuolisen havaitsevan havaittavissa. Teoreettiset käsitykset lisääntyvät.

Noin kymmenen kuukautta sitten Advanced Optical Materials julkaisi artikkelin Keski-Floridan yliopiston tutkijoiden mahdollisesti uraauurtavasta tutkimuksesta. Kuka tietää, eivätkö he onnistuneet voittamaan olemassa olevia rajoituksia "näkymättömät hatut» Rakennettu metamateriaaleista. Heidän julkaisemiensa tietojen mukaan esineen katoaminen näkyvän valon alueella on mahdollista.

7. Teoreettiset tavat taivuttaa valoa näkymätön esineeseen

Debashis Chanda ja hänen tiiminsä kuvaavat kolmiulotteisen rakenteen omaavan metamateriaalin käyttöä. Se oli mahdollista saada ns. nanotransfer printing (NTP), joka tuottaa metallidielektrisiä nauhoja. Taitekerrointa voidaan muuttaa nanotekniikan menetelmillä. Valon etenemisreittiä on ohjattava materiaalin kolmiulotteisessa pintarakenteessa sähkömagneettisen resonanssin menetelmällä.

Tiedemiehet ovat johtopäätöksissään erittäin varovaisia, mutta heidän teknologiansa kuvauksesta käy selvästi ilmi, että tällaisesta materiaalista valmistetut pinnoitteet pystyvät suuressa määrin ohjaamaan sähkömagneettisia aaltoja. Lisäksi uuden materiaalin hankintatapa mahdollistaa suurten alueiden tuotannon, mikä on saanut jotkut haaveilemaan hävittäjistä, jotka on peitetty sellaisella naamioinnilla, joka antaisi heille näkymättömyys täydellinen, tutkasta päivänvaloon.

Metamateriaaleja tai optisia tekniikoita käyttävät piilolaitteet eivät aiheuta esineiden todellista katoamista, vaan vain niiden näkymättömyyttä tunnistustyökaluille ja pian ehkä myös silmälle. Radikaalimpia ideoita on kuitenkin jo olemassa. Jeng Yi Lee ja Ray-Kuang Lee Taiwanin kansallisesta Tsing Hua -yliopistosta ehdottivat teoreettista käsitettä kvantti "näkymättömyyskorkista", joka voi poistaa esineitä paitsi näkökentästä, myös todellisuudesta kokonaisuudessaan.

Tämä toimii samalla tavalla kuin edellä käsiteltiin, mutta Schrödingerin yhtälöä käytetään Maxwellin yhtälöiden sijaan. Tarkoituksena on venyttää kohteen todennäköisyyskenttää niin, että se on yhtä suuri kuin nolla. Teoriassa tämä on mahdollista mikromittakaavassa. Kestää kuitenkin kauan odottaa teknologisia mahdollisuuksia tällaisen kannen valmistamiseksi. Kuten mikä tahansa"näkymättömyyskorkki", jonka voidaan sanoa, että hän todella salasi jotain meidän näkökulmastamme.