Nové metamateriály: svetlo pod kontrolou
Množstvo správ o „metamateriáloch“ (v úvodzovkách, pretože definícia sa začína rozmazávať) nás núti považovať ich za takmer všeliek na všetky problémy, bolesti a obmedzenia, ktorým čelí moderný svet technológií. Najzaujímavejšie koncepty sa v poslednej dobe týkajú optických počítačov a virtuálnej reality.
vo vzťahu hypotetické počítače budúcnostiako príklad možno uviesť výskum špecialistov z izraelskej univerzity TAU v Tel Avive. Navrhujú viacvrstvové nanomateriály, ktoré by sa mali použiť na vytváranie optických počítačov. Výskumníci zo švajčiarskeho inštitútu Paula Scherrera zase vytvorili trojfázovú látku z miliardy miniatúrnych magnetov schopných simulovať tri agregované stavyanalogicky s vodou.
Na čo sa dá použiť? Izraelčania chcú stavať. Švajčiari hovoria o prenose a zázname dát, ako aj o spintronike všeobecne.
Trojfázový metamateriál vyrobený z minimagnetov, ktorý napodobňuje tri stavy vody.
Fotóny na požiadanie
Výskum vedcov z Národného laboratória Lawrence Berkeley na ministerstve energetiky môže viesť k vývoju optických počítačov založených na metamateriáloch. Navrhujú vytvoriť druh laserového rámca, ktorý dokáže zachytiť určité balíčky atómov na určitom mieste, čím sa vytvorí prísne navrhnutý, kontrolovaný štruktúra založená na svetle. Pripomína prírodné kryštály. S jedným rozdielom - je takmer dokonalý, na prírodných materiáloch nie sú pozorované žiadne chyby.
Vedci veria, že budú môcť nielen pevne kontrolovať polohu skupín atómov vo svojom „svetelnom kryštáli“, ale aj aktívne ovplyvňovať správanie jednotlivých atómov pomocou iného lasera (blízke infračervené pásmo). Donútia ich napríklad na požiadanie vyžarovať určitú energiu – dokonca aj jeden fotón, ktorý po odstránení z jedného miesta v kryštáli môže pôsobiť na atóm uväznený v inom. Pôjde o akúsi jednoduchú výmenu informácií.
Schopnosť rýchlo uvoľniť fotón kontrolovaným spôsobom a preniesť ho s malou stratou z jedného atómu na druhý je dôležitým krokom spracovania informácií pre kvantové výpočty. Možno si predstaviť použitie celých polí riadených fotónov na vykonávanie veľmi zložitých výpočtov – oveľa rýchlejšie ako pomocou moderných počítačov. Atómy vložené do umelého kryštálu by tiež mohli skákať z jedného miesta na druhé. V tomto prípade by sa sami stali nosičmi informácií v kvantovom počítači alebo by mohli vytvoriť kvantový senzor.
Vedci zistili, že atómy rubídia sú ideálne pre ich účely. Atómy bária, vápnika alebo cézia však dokáže zachytiť aj umelý laserový kryštál, pretože majú podobnú energetickú hladinu. Na vytvorenie navrhovaného metamateriálu v skutočnom experimente by výskumný tím musel zachytiť niekoľko atómov v umelej kryštálovej mriežke a udržať ich tam, aj keď sú excitované do vyšších energetických stavov.
Virtuálna realita bez optických defektov
Metamateriály by mohli nájsť užitočné aplikácie v inej rozvíjajúcej sa oblasti technológie -. Virtuálna realita má mnoho rôznych obmedzení. Významnú úlohu zohrávajú nám známe nedokonalosti optiky. Postaviť dokonalý optický systém je prakticky nemožné, pretože vždy dochádza k takzvaným aberáciám, t.j. skreslenie vĺn spôsobené rôznymi faktormi. Sme si vedomí sférických a chromatických aberácií, astigmatizmu, kómy a mnohých ďalších nepriaznivých účinkov optiky. Každý, kto používal súpravy virtuálnej reality, sa s týmito javmi určite stretol. Je nemožné navrhnúť VR optiku, ktorá je ľahká, produkuje vysokokvalitné obrázky, nemá viditeľnú dúhu (chromatické aberácie), poskytuje veľké zorné pole a je lacná. Toto je proste neskutočné.
To je dôvod, prečo výrobcovia zariadení VR Oculus a HTC používajú to, čo sa nazýva Fresnelove šošovky. To umožňuje získať výrazne nižšiu hmotnosť, eliminovať chromatické aberácie a získať relatívne nízku cenu (materiál na výrobu takýchto šošoviek je lacný). Bohužiaľ, refrakčné krúžky spôsobujú w Fresnelove šošovky výrazný pokles kontrastu a vytvorenie odstredivej žiary, ktorá je badateľná najmä tam, kde má scéna vysoký kontrast (čierne pozadie).
Nedávno sa však vedcom z Harvardskej univerzity na čele s Federicom Capassom podarilo vyvinúť tenká a plochá šošovka s použitím metamateriálov. Nanoštruktúrna vrstva na skle je tenšia ako ľudský vlas (0,002 mm). Nielenže nemá typické nevýhody, ale poskytuje aj oveľa lepšiu kvalitu obrazu ako drahé optické systémy.
Capasso šošovka, na rozdiel od typických konvexných šošoviek, ktoré ohýbajú a rozptyľujú svetlo, mení vlastnosti svetelnej vlny vďaka mikroskopickým štruktúram vyčnievajúcim z povrchu, uloženým na kremennom skle. Každá takáto rímsa láme svetlo inak a mení svoj smer. Preto je dôležité správne distribuovať takú nanoštruktúru (vzor), ktorá je počítačovo navrhnutá a vyrobená metódami podobnými počítačovým procesorom. To znamená, že tento typ šošoviek možno vyrábať v rovnakých továrňach ako predtým, s použitím známych výrobných procesov. Oxid titaničitý sa používa na naprašovanie.
Za zmienku stojí ďalšie inovatívne riešenie „metaoptiky“. metamateriálové hyperšošovkyprijaté na Americkej univerzite v Buffale. Prvé verzie hyperšošoviek boli vyrobené zo striebra a dielektrického materiálu, no fungovali len vo veľmi úzkom rozsahu vlnových dĺžok. Vedci z Buffala použili sústredné usporiadanie zlatých prútov v termoplastovom obale. Funguje v rozsahu vlnových dĺžok viditeľného svetla. Výskumníci ilustrujú zvýšenie rozlíšenia vyplývajúce z nového riešenia pomocou lekárskeho endoskopu ako príkladu. Bežne rozpoznáva predmety do 10 250 nanometrov a po nainštalovaní hyperšošoviek „klesne“ až na XNUMX nanometrov. Konštrukcia prekonáva problém difrakcie, javu, ktorý výrazne znižuje rozlíšenie optických systémov – namiesto vlnového skreslenia sa premieňajú na vlny, ktoré je možné zaznamenať v následných optických zariadeniach.
Podľa publikácie v Nature Communications možno túto metódu použiť v mnohých oblastiach, od medicíny až po pozorovania jednej molekuly. Je vhodné počkať na konkrétne zariadenia na báze metamateriálov. Snáď umožnia virtuálnej realite konečne dosiahnuť skutočný úspech. Čo sa týka „optických počítačov“, sú to stále dosť vzdialené a vágne vyhliadky. Nedá sa však nič vylúčiť...
