„Шапките за невидимост“ все още са невидими

Последният от поредицата „наметала на невидимостта“ е този, роден в университета в Рочестър (1), който използва съответната оптична система. Скептиците обаче го наричат ​​някакъв вид илюзионистичен трик или специален ефект, при който умна система от лещи пречупва светлината и заблуждава зрението на наблюдателя.

Зад всичко се крие доста напреднала математика — учените трябва да я използват, за да намерят как да настроят двете лещи, така че светлината да се пречупва по такъв начин, че да могат да скрият обекта директно зад тях. Това решение работи не само при гледане директно към лещите - ъгъл от 15 градуса или друг е достатъчен.

1. "Капачка-невидимка" от университета в Рочестър.

Може да се използва в автомобили за премахване на слепите петна в огледалата или в операционните зали, позволявайки на хирурзите да виждат през ръцете си. Това е още едно от дълга поредица от разкрития за невидима технологиякоито дойдоха при нас през последните години.

През 2012 г. вече чухме за „Капачката на невидимостта“ от американския университет Дюк. Тогава само най-любознателните прочетоха, че става дума за невидимостта на малък цилиндър в малък фрагмент от микровълновия спектър. Година по-рано служителите на Duke съобщиха за технологията за стелт сонар, която може да изглежда обещаваща в някои кръгове.

За съжаление беше така невидимост само от определена гледна точка и в тесен обхват, което направи технологията малко използваема. През 2013 г. неуморните инженери от Duke предложиха 3D отпечатано устройство, което камуфлира обект, поставен вътре, с микродупки в структурата (2). Това обаче отново се случи в ограничен диапазон от вълни и само от определена гледна точка.

Снимките, публикувани в интернет, изглеждаха обещаващи нос канадската компания Hyperstealth, която през 2012 г. беше рекламирана под интригуващото име Quantum Stealth (3). За съжаление, работещи прототипи никога не са демонстрирани, нито е обяснено как работи. Компанията цитира проблеми със сигурността като причина и тайно съобщава, че подготвя секретни версии на продукта за военните.

Преден монитор, задна камера

Първо модернокапачка за невидимост» Въведен преди десет години от японския инженер проф. Сусуму Тачи от Токийския университет. Той използва камера, разположена зад мъж, облечен в палто, което също беше монитор. Върху него се проектира изображението от задната камера. Мъжът с наметало беше „невидим“. Подобен трик се използва от устройството за камуфлаж на превозно средство Adaptiv, въведено през предходното десетилетие от BAE Systems (4).

Той показва инфрачервено изображение "отзад" върху бронята на танка. Такава машина просто не се вижда в прицелните устройства. Идеята за маскиране на обекти се оформя през 2006 г. Джон Пендри от Imperial College London, Дейвид Шуриг и Дейвид Смит от университета Дюк публикуваха теорията за „оптиката на трансформация“ в списание Science и представиха как тя работи в случай на микровълни (дължини на вълната с по-голяма дължина от видимата светлина).

2. Капачка за невидимост, отпечатана в три измерения.

С помощта на подходящи метаматериали една електромагнитна вълна може да бъде огъната по такъв начин, че да заобиколи околния обект и да се върне към текущия си път. Параметърът, характеризиращ общата оптична реакция на средата, е коефициентът на пречупване, който определя колко пъти по-бавно, отколкото във вакуум, светлината се движи в тази среда. Изчисляваме го като корен на произведението на относителната електрическа и магнитна проницаемост.

относителна електрическа пропускливост; определя колко пъти силата на електрическото взаимодействие в дадено вещество е по-малка от силата на взаимодействие във вакуум. Следователно, това е мярка за това колко силно електрическите заряди в дадено вещество реагират на външно електрическо поле. Повечето вещества имат положителна проницаемост, което означава, че полето, променено от веществото, все още има същото значение като външното поле.

Относителната магнитна проницаемост m определя как се променя магнитното поле в пространство, изпълнено с даден материал, в сравнение с магнитното поле, което би съществувало във вакуум със същия външен източник на магнитно поле. За всички естествено срещащи се вещества относителната магнитна проницаемост е положителна. За прозрачни среди като стъкло или вода и трите количества са положителни.

Тогава светлината, преминаваща от вакуум или въздух (параметрите на въздуха са само малко по-различни от вакуума) в средата, се пречупва според закона за пречупване и съотношението на синуса на ъгъла на падане към синуса на ъгъла на пречупване е равен на индекса на пречупване за тази среда. Стойността е по-малка от нула; и m означава, че електроните в средата се движат в посока, обратна на силата, създадена от електрическото или магнитното поле.

Точно това се случва в металите, в които свободният електронен газ претърпява собствени трептения. Ако честотата на електромагнитната вълна не надвишава честотата на тези естествени трептения на електроните, тогава тези трептения екранират електрическото поле на вълната толкова ефективно, че не й позволяват да проникне дълбоко в метала и дори създава поле, насочено в противоположна посока. към външното поле.

В резултат на това проницаемостта на такъв материал е отрицателна. Не може да проникне дълбоко в метала, електромагнитното излъчване се отразява от повърхността на метала и самият метал придобива характерен блясък. Ами ако и двата вида проницаемост са отрицателни? Този въпрос е зададен през 1967 г. от руския физик Виктор Веселаго. Оказва се, че коефициентът на пречупване на такава среда е отрицателен и светлината се пречупва по съвсем различен начин, отколкото следва от обичайния закон за пречупване.

5. Отрицателно пречупване на повърхността на метаматериал - визуализация

Тогава енергията на електромагнитната вълна се пренася напред, но максимумите на електромагнитната вълна се движат в посока, обратна на формата на импулса и предадената енергия. Такива материали не съществуват в природата (няма вещества с отрицателна магнитна проницаемост). Само в споменатата по-горе публикация от 2006 г. и в много други публикации, създадени през следващите години, беше възможно да се опишат и следователно да се изградят изкуствени структури с отрицателен показател на пречупване (5).

Те се наричат ​​метаматериали. Гръцкият префикс "мета" означава "след", тоест това са конструкции, изработени от естествени материали. Метаматериалите придобиват нужните им свойства чрез изграждане на малки електрически вериги, които имитират магнитните или електрическите свойства на материала. Много метали имат отрицателна електрическа пропускливост, така че е достатъчно да се остави място за елементи, които дават отрицателен магнитен отговор.

Вместо хомогенен метал, много тънки метални жици, подредени под формата на кубична решетка, са прикрепени към плоча от изолационен материал. Чрез промяна на диаметъра на проводниците и разстоянието между тях е възможно да се регулират честотите, при които конструкцията ще има отрицателна електрическа пропускливост. За да се получи отрицателна магнитна пропускливост в най-простия случай, дизайнът се състои от два счупени пръстена, изработени от добър проводник (например злато, сребро или мед) и разделени от слой от друг материал.

Такава система се нарича резонатор с разделен пръстен - съкратено SRR, от английски. Резонатор с разделен пръстен (6). Поради пролуките в пръстените и разстоянието между тях той има определен капацитет, подобно на кондензатор, и тъй като пръстените са направени от проводящ материал, той също има известна индуктивност, т.е. способност за генериране на токове.

Промените във външното магнитно поле от електромагнитната вълна предизвикват протичане на ток в пръстените и този ток създава магнитно поле. Оказва се, че при подходящ дизайн създаденото от системата магнитно поле е насочено обратно на външното поле. Това води до отрицателна магнитна проницаемост на материал, съдържащ такива елементи. Чрез задаване на параметрите на метаматериалната система може да се получи отрицателен магнитен отговор в доста широк диапазон от честоти на вълните.

мета - сграда

Мечтата на дизайнерите е да изградят система, в която вълните в идеалния случай да обикалят около обекта (7). През 2008 г. учени от Калифорнийския университет в Бъркли за първи път в историята създадоха триизмерни материали, които имат отрицателен показател на пречупване на видимата и близката инфрачервена светлина, огъвайки светлината в посока, противоположна на естествената й посока. Те създадоха нов метаматериал чрез комбиниране на сребро с магнезиев флуорид.

След това се нарязва на матрица, състояща се от миниатюрни игли. Феноменът на отрицателна рефракция е наблюдаван при дължини на вълната от 1500 nm (близо до инфрачервеното). В началото на 2010 г. Толга Ергин от Технологичния институт в Карлсруе и колеги от Imperial College London създадоха невидим светла завеса. Изследователите са използвали материали, налични на пазара.

Те използваха фотонни кристали, положени върху повърхност, за да покрият микроскопична издатина върху златна плоча. Така метаматериалът е създаден от специални лещи. Лещите срещу гърбицата на плочата са разположени по такъв начин, че чрез отклоняване на част от светлинните вълни елиминират разсейването на светлината върху издутината. Наблюдавайки плочата под микроскоп, използвайки светлина с дължина на вълната, близка до тази на видимата светлина, учените видяха плоска плоча.

По-късно изследователи от университета Дюк и Имперския колеж в Лондон успяха да получат отрицателно отражение на микровълновата радиация. За да се получи този ефект, отделните елементи от структурата на метаматериала трябва да са по-малки от дължината на вълната на светлината. Така че това е техническо предизвикателство, което изисква производството на много малки метаматериални структури, които съответстват на дължината на вълната на светлината, която трябва да пречупят.

Видимата светлина (виолетова до червена) има дължина на вълната от 380 до 780 нанометра (нанометър е една милиардна от метъра). На помощ се притекоха нанотехнологи от шотландския университет Сейнт Андрюс. Получиха един слой от изключително гъсто омрежен метаматериал. Страниците на New Journal of Physics описват метафлекс, способен да огъва дължини на вълната от около 620 нанометра (оранжево-червена светлина).

През 2012 г. група американски изследователи от Тексаския университет в Остин измислиха съвсем различен трик с помощта на микровълни. Цилиндър с диаметър 18 cm е покрит с плазмен материал с отрицателен импеданс, което позволява манипулиране на свойствата. Ако има точно противоположни оптични свойства на скрития обект, той създава един вид "негатив".

Така двете вълни се припокриват и обектът става невидим. В резултат на това материалът може да огъне няколко различни честотни диапазона на вълната, така че да текат около обекта, събирайки се от другата му страна, което може да не се забележи за външен наблюдател. Теоретичните концепции се умножават.

Преди около дузина месеца Advanced Optical Materials публикува статия за вероятно новаторско изследване на учени от Университета на Централна Флорида. Кой знае дали не успяха да преодолеят съществуващите ограничения за "невидими шапки» Построен от метаматериали. Според публикуваната от тях информация е възможно изчезването на обекта във видимия светлинен обхват.

7. Теоретични начини за огъване на светлина върху невидим обект

Дебаши Чанда и неговият екип описват използването на метаматериал с триизмерна структура. Беше възможно да се получи благодарение на т.нар. нанотрансферен печат (NTP), който произвежда метално-диелектрични ленти. Показателят на пречупване може да бъде променен чрез наноинженерни методи. Пътят на разпространение на светлината трябва да се контролира в триизмерната повърхностна структура на материала с помощта на метода на електромагнитен резонанс.

Учените са много предпазливи в заключенията си, но от описанието на тяхната технология е съвсем ясно, че покритията от такъв материал са способни до голяма степен да отклоняват електромагнитните вълни. Освен това начинът, по който се получава новият материал, позволява производството на големи площи, което кара някои да мечтаят за бойци, покрити с такъв камуфлаж, който би им осигурил невидимост завършен, от радар до дневна светлина.

Устройствата за скриване, използващи метаматериали или оптични техники, не причиняват действителното изчезване на обекти, а само тяхната невидимост за инструментите за откриване и скоро, може би, за окото. Но вече има по-радикални идеи. Jeng Yi Lee и Ray-Kuang Lee от Тайванския национален университет Tsing Hua предложиха теоретична концепция за квантово „наметало на невидимостта“, способно да отстранява обекти не само от зрителното поле, но и от реалността като цяло.

Това ще работи подобно на това, което беше обсъдено по-горе, но уравнението на Шрьодингер ще се използва вместо уравненията на Максуел. Въпросът е да разтегнете вероятностното поле на обекта, така че да е равно на нула. Теоретично това е възможно в микромащаб. Въпреки това ще отнеме много време да се изчакат технологичните възможности за производство на такова покритие. като всеки "капачка за невидимост„Което може да се каже, че тя наистина криеше нещо от нашия поглед.