Нови метаматериали: светлина под контрол

Много доклади за „метаматериали“ (в кавички, защото определението започва да се размива) ни карат да мислим за тях като за почти панацея за всички проблеми, болки и ограничения, пред които е изправен съвременният свят на технологиите. Най-интересните концепции напоследък засягат оптичните компютри и виртуалната реалност.

обвързан хипотетични компютри на бъдещетокато пример може да се посочи изследването на специалисти от израелския университет TAU в Тел Авив. Те проектират многослойни наноматериали, които трябва да се използват за създаване на оптични компютри. От своя страна изследователи от швейцарския институт Пол Шерер построиха трифазна субстанция от милиард миниатюрни магнити, способни да симулира три агрегатни състояния, по аналогия с водата.

За какво може да се използва? Израелците искат да строят. Швейцарците говорят за предаване и запис на данни, както и за спинтроника като цяло.

Трифазен метаматериал, направен от минимагнити, който имитира трите състояния на водата.

Фотони при поискване

Изследванията на учени от Националната лаборатория Лорънс Бъркли към Министерството на енергетиката могат да доведат до разработването на оптични компютри, базирани на метаматериали. Те предлагат да се създаде един вид лазерна рамка, която може да улавя определени пакети от атоми на определено място, създавайки строго проектирана, контролирана структура на базата на светлина. Прилича на естествени кристали. С една разлика - почти перфектен е, не се наблюдават дефекти в естествените материали.

Учените смятат, че те не само ще могат да контролират строго позицията на групи от атоми в техния „светлинен кристал“, но и активно да влияят върху поведението на отделните атоми с помощта на друг лазер (близък до инфрачервения обхват). Те ще ги накарат, например, при поискване да излъчват определена енергия - дори единичен фотон, който, отстранен от едно място в кристала, може да въздейства върху атом, хванат в друго. Това ще бъде един вид прост обмен на информация.

Способността за бързо освобождаване на фотон по контролиран начин и прехвърлянето му с малка загуба от един атом на друг е важна стъпка за обработка на информация за квантовите изчисления. Човек може да си представи използването на цели масиви от контролирани фотони за извършване на много сложни изчисления – много по-бързо, отколкото при използването на съвременни компютри. Атомите, вградени в изкуствен кристал, също могат да прескачат от едно място на друго. В този случай те самите биха станали носители на информация в квантов компютър или биха могли да създадат квантов сензор.

Учените са открили, че атомите на рубидий са идеални за своите цели. Въпреки това, атомите на барий, калций или цезий също могат да бъдат уловени от изкуствен лазерен кристал, тъй като имат сходни енергийни нива. За да направи предложения метаматериал в реален експеримент, изследователският екип ще трябва да улови няколко атома в изкуствена кристална решетка и да ги задържи там, дори когато са възбудени до по-високи енергийни състояния.

Виртуална реалност без оптични дефекти

Метаматериалите биха могли да намерят полезни приложения в друга развиваща се област на технологиите -. Виртуалната реалност има много различни ограничения. Значителна роля играят познатите ни несъвършенства на оптиката. Практически е невъзможно да се изгради перфектна оптична система, защото винаги има така наречените аберации, т.е. изкривяване на вълната, причинено от различни фактори. Ние сме наясно със сферични и хроматични аберации, астигматизъм, кома и много, много други неблагоприятни ефекти на оптиката. Всеки, който е използвал комплекти за виртуална реалност, трябва да се е занимавал с тези явления. Невъзможно е да се проектира VR оптика, която да е лека, да произвежда висококачествени изображения, да няма видима дъга (хроматични аберации), да дава голямо зрително поле и да е евтина. Това е просто нереално.

Ето защо производителите на VR оборудване Oculus и HTC използват така наречените Fresnel лещи. Това ви позволява да получите значително по-малко тегло, да премахнете хроматичните аберации и да получите сравнително ниска цена (материалът за производството на такива лещи е евтин). За съжаление, рефракционните пръстени причиняват w Лещи на Френел значителен спад на контраста и създаване на центробежно сияние, което е особено забележимо, когато сцената има висок контраст (черен фон).

Наскоро обаче учени от Харвардския университет, водени от Федерико Капасо, успяха да разработят тънка и плоска леща, използваща метаматериали. Наноструктурният слой върху стъклото е по-тънък от човешки косъм (0,002 mm). Той не само няма типичните недостатъци, но също така осигурява много по-добро качество на изображението от скъпите оптични системи.

Лещата Capasso, за разлика от типичните изпъкнали лещи, които огъват и разсейват светлината, променя свойствата на светлинната вълна поради микроскопични структури, стърчащи от повърхността, отложени върху кварцово стъкло. Всеки такъв перваз пречупва светлината по различен начин, променяйки посоката си. Ето защо е важно правилно да се разпредели такава наноструктура (модел), която е компютърно проектирана и произведена с помощта на методи, подобни на компютърните процесори. Това означава, че този тип лещи могат да се произвеждат в същите фабрики, както преди, като се използват известни производствени процеси. За разпрашване се използва титанов диоксид.

Струва си да споменем още едно иновативно решение на "мета-оптика". метаматериални хиперлещивзети в Американския университет в Бъфало. Първите версии на хиперлещите бяха направени от сребро и диелектричен материал, но работеха само в много тесен диапазон от дължини на вълните. Учените от Бъфало са използвали концентрично подреждане на златни пръчки в термопластичен корпус. Работи в диапазона на дължината на вълната на видимата светлина. Изследователите илюстрират увеличаването на разделителната способност в резултат на новото решение, като използват медицински ендоскоп като пример. Обикновено разпознава обекти до 10 250 нанометра и след инсталиране на хиперлещи "спада" до XNUMX нанометра. Дизайнът преодолява проблема с дифракцията, явление, което значително намалява разделителната способност на оптичните системи – вместо вълново изкривяване, те се преобразуват във вълни, които могат да бъдат записани в последващи оптични устройства.

Според публикация в Nature Communications, този метод може да се използва в много области, от медицина до наблюдения на отделни молекули. Подходящо е да се изчакат конкретни устройства на базата на метаматериали. Може би те ще позволят на виртуалната реалност най-накрая да постигне истински успех. Що се отнася до "оптичните компютри", това са все още доста далечни и неясни перспективи. Нищо обаче не може да се изключи...