„Neviditeľné čiapky“ sú stále neviditeľné

Najnovším zo série „plášťov neviditeľnosti“ je ten zrodený na Univerzite v Rochesteri (1), ktorý využíva príslušný optický systém. Skeptici to však nazývajú akýmsi iluzionistickým trikom alebo špeciálnym efektom, pri ktorom šikovný systém šošoviek láme svetlo a klame zrak pozorovateľa.

Za všetkým je dosť pokročilá matematika – vedci ju musia použiť, aby zistili, ako nastaviť dve šošovky tak, aby sa svetlo lámalo takým spôsobom, aby mohli objekt skryť priamo za nimi. Toto riešenie funguje nielen pri priamom pohľade do šošoviek – stačí uhol 15 stupňov alebo iný.

1. "Invisibility Cap" z University of Rochester.

Môže sa použiť v automobiloch na odstránenie slepých uhlov v zrkadlách alebo na operačných sálach, čo umožňuje chirurgom vidieť cez ich ruky. Toto je ďalšie z dlhej série odhalení o neviditeľná technológiaktoré k nám prišli v posledných rokoch.

V roku 2012 sme už počuli o „Cap of Invisibility“ z americkej Duke University. Len tí najzvedavejší sa vtedy dočítali, že išlo o neviditeľnosť malého valca v nepatrnom úlomku mikrovlnného spektra. O rok skôr predstavitelia Duke informovali o technológii stealth sonaru, ktorá sa v niektorých kruhoch môže zdať sľubná.

Bohužiaľ, bolo neviditeľnosť len z určitého uhla pohľadu a v úzkom rozsahu, čo spôsobilo, že technológia bola málo využívaná. V roku 2013 neúnavní inžinieri v Duke navrhli 3D tlačené zariadenie, ktoré maskovalo objekt umiestnený vo vnútri mikrootvormi v štruktúre (2). Opäť sa to však dialo v obmedzenom rozsahu vĺn a len z určitého uhla pohľadu.

Fotografie zverejnené na internete vyzerali sľubne mys kanadskej spoločnosti Hyperstealth, ktorá bola v roku 2012 inzerovaná pod zaujímavým názvom Quantum Stealth (3). Bohužiaľ, funkčné prototypy neboli nikdy predvedené, ani nebolo vysvetlené, ako to funguje. Spoločnosť ako dôvod uvádza bezpečnostné problémy a tajne uvádza, že pripravuje tajné verzie produktu pre armádu.

Predný monitor, zadná kamera

Prvý modernýneviditeľný uzáver» Pred desiatimi rokmi predstavil japonský inžinier Prof. Susumu Tachi z Tokijskej univerzity. Použil kameru umiestnenú za mužom v plášti, ktorý bol zároveň monitorom. Premietal sa naň obraz zo zadnej kamery. Muž v plášti bol „neviditeľný“. Podobný trik používa aj maskovacie zariadenie vozidla Adaptiv predstavené v predchádzajúcom desaťročí spoločnosťou BAE Systems (4).

Zobrazuje infračervený obraz „zozadu“ na pancieri tanku. Takýto stroj sa v zameriavacích zariadeniach jednoducho nevidí. Myšlienka maskovania predmetov sa formovala v roku 2006. John Pendry z Imperial College London, David Schurig a David Smith z Duke University publikovali teóriu „transformačnej optiky“ v časopise Science a prezentovali, ako to funguje v prípade mikrovĺn (dlhšie vlnové dĺžky ako viditeľné svetlo).

2. "neviditeľný uzáver" vytlačený v troch rozmeroch.

Pomocou vhodných metamateriálov možno elektromagnetickú vlnu ohnúť tak, aby obišla okolitý objekt a vrátila sa do svojej aktuálnej dráhy. Parameter charakterizujúci všeobecnú optickú reakciu prostredia je index lomu, ktorý určuje, koľkokrát pomalšie ako vo vákuu sa svetlo v tomto prostredí pohybuje. Vypočítame ju ako odmocninu zo súčinu relatívnej elektrickej a magnetickej permeability.

relatívna elektrická priepustnosť; určuje, koľkokrát je elektrická interakčná sila v danej látke menšia ako interakčná sila vo vákuu. Preto je to miera toho, ako silne elektrické náboje v látke reagujú na vonkajšie elektrické pole. Väčšina látok má kladnú permitivitu, čo znamená, že pole zmenené látkou má stále rovnaký význam ako vonkajšie pole.

Relatívna magnetická permeabilita m určuje, ako sa mení magnetické pole v priestore vyplnenom daným materiálom v porovnaní s magnetickým poľom, ktoré by existovalo vo vákuu s rovnakým vonkajším zdrojom magnetického poľa. Pre všetky prirodzene sa vyskytujúce látky je relatívna magnetická permeabilita pozitívna. Pre priehľadné médiá, ako je sklo alebo voda, sú všetky tri množstvá kladné.

Potom sa svetlo prechádzajúce z vákua alebo vzduchu (parametre vzduchu sa od vákua líšia len nepatrne) do prostredia láme podľa zákona lomu a pomer sínusu uhla dopadu k sínusu uhla lomu je rovná indexu lomu pre toto médium. Hodnota je menšia ako nula; a m znamená, že elektróny vo vnútri média sa pohybujú v opačnom smere ako sila vytváraná elektrickým alebo magnetickým poľom.

To je presne to, čo sa deje v kovoch, v ktorých voľný elektrónový plyn podlieha vlastným osciláciám. Ak frekvencia elektromagnetickej vlny nepresiahne frekvenciu týchto vlastných kmitov elektrónov, potom tieto kmity clonia elektrické pole vlny tak efektívne, že jej neumožňujú preniknúť hlboko do kovu a dokonca vytvárajú pole smerujúce opačne. do vonkajšieho poľa.

V dôsledku toho je permitivita takéhoto materiálu negatívna. Elektromagnetické žiarenie, ktoré nedokáže preniknúť hlboko do kovu, sa odráža od povrchu kovu a samotný kov získava charakteristický lesk. Čo ak sú oba typy permitivity negatívne? Túto otázku si položil v roku 1967 ruský fyzik Viktor Veselago. Ukazuje sa, že index lomu takéhoto média je negatívny a svetlo sa láme úplne iným spôsobom, ako vyplýva zo zaužívaného zákona lomu.

5. Negatívna refrakcia na povrchu metamateriálu - vizualizácia

Potom sa energia elektromagnetickej vlny prenesie dopredu, ale maximá elektromagnetickej vlny sa pohybujú v opačnom smere ako je tvar impulzu a prenášanej energie. Takéto materiály v prírode neexistujú (neexistujú žiadne látky s negatívnou magnetickou permeabilitou). Až vo vyššie uvedenej publikácii z roku 2006 av mnohých ďalších publikáciách vytvorených v nasledujúcich rokoch bolo možné popísať a teda vybudovať umelé štruktúry s negatívnym indexom lomu (5).

Nazývajú sa metamateriály. Grécka predpona „meta“ znamená „po“, to znamená, že ide o štruktúry vyrobené z prírodných materiálov. Metamateriály získavajú vlastnosti, ktoré potrebujú, budovaním malých elektrických obvodov, ktoré napodobňujú magnetické alebo elektrické vlastnosti materiálu. Mnohé kovy majú negatívnu elektrickú permeabilitu, takže stačí nechať priestor pre prvky, ktoré dávajú negatívnu magnetickú odozvu.

Namiesto homogénneho kovu je na dosku z izolačného materiálu pripevnené množstvo tenkých kovových drôtov usporiadaných vo forme kubickej mriežky. Zmenou priemeru drôtov a vzdialenosti medzi nimi je možné upraviť hodnoty frekvencie, pri ktorých bude mať štruktúra negatívnu elektrickú priepustnosť. Na získanie negatívnej magnetickej permeability v najjednoduchšom prípade pozostáva dizajn z dvoch zlomených krúžkov vyrobených z dobrého vodiča (napríklad zlata, striebra alebo medi) a oddelených vrstvou iného materiálu.

Takýto systém sa nazýva rezonátor s deleným prstencom – skrátene SRR, z angličtiny. Rezonátor s deleným krúžkom (6). Vďaka medzerám v krúžkoch a vzdialenosti medzi nimi má určitú kapacitu, ako kondenzátor, a keďže sú krúžky z vodivého materiálu, má aj určitú indukčnosť, t.j. schopnosť vytvárať prúdy.

Zmeny vonkajšieho magnetického poľa od elektromagnetickej vlny spôsobujú, že v prstencoch preteká prúd a tento prúd vytvára magnetické pole. Ukazuje sa, že pri vhodnej konštrukcii je magnetické pole vytvorené systémom nasmerované opačne ako vonkajšie pole. To má za následok negatívnu magnetickú permeabilitu materiálu obsahujúceho takéto prvky. Nastavením parametrov metamateriálového systému je možné získať negatívnu magnetickú odozvu v pomerne širokom rozsahu vlnových frekvencií.

meta - budova

Snom dizajnérov je vybudovať systém, v ktorom by vlny ideálne obtekali objekt (7). V roku 2008 vedci z Kalifornskej univerzity v Berkeley prvýkrát v histórii vytvorili trojrozmerné materiály, ktoré majú negatívny index lomu pre viditeľné a blízke infračervené svetlo, pričom ohýbajú svetlo v smere opačnom k ​​jeho prirodzenému smeru. Nový metamateriál vytvorili spojením striebra s fluoridom horečnatým.

Potom sa rozreže na matricu pozostávajúcu z miniatúrnych ihiel. Fenomén negatívneho lomu bol pozorovaný pri vlnových dĺžkach 1500 nm (blízke infračervené). Začiatkom roku 2010 Tolga Ergin z Karlsruhe Institute of Technology a kolegovia z Imperial College London vytvorili neviditeľný svetelný záves. Výskumníci použili materiály dostupné na trhu.

Použili fotonické kryštály položené na povrchu, aby prekryli mikroskopický výčnelok na zlatej platni. Metamateriál bol teda vytvorený zo špeciálnych šošoviek. Šošovky oproti hrbolčeku na platni sú umiestnené tak, že vychýlením časti svetelných vĺn eliminujú rozptyl svetla na vydutine. Pozorovaním platne pod mikroskopom pomocou svetla s vlnovou dĺžkou blízkou vlnovej dĺžke viditeľného svetla vedci videli rovnú platňu.

Neskôr sa výskumníkom z Duke University a Imperial College London podarilo získať negatívny odraz mikrovlnného žiarenia. Na dosiahnutie tohto efektu musia byť jednotlivé prvky metamateriálovej štruktúry menšie ako vlnová dĺžka svetla. Ide teda o technickú výzvu, ktorá si vyžaduje výrobu veľmi malých metamateriálových štruktúr, ktoré zodpovedajú vlnovej dĺžke svetla, ktoré majú lámať.

Viditeľné svetlo (fialové až červené) má vlnovú dĺžku 380 až 780 nanometrov (nanometer je jedna miliardtina metra). Na pomoc prišli nanotechnológovia zo Škótskej univerzity v St. Získali jednu vrstvu extrémne husto sieťovaného metamateriálu. Stránky New Journal of Physics popisujú metaflex schopný ohýbať vlnové dĺžky asi 620 nanometrov (oranžovo-červené svetlo).

V roku 2012 prišla skupina amerických výskumníkov z Texaskej univerzity v Austine s úplne iným trikom pomocou mikrovĺn. Valec s priemerom 18 cm bol potiahnutý plazmovým materiálom s negatívnou impedanciou, čo umožňuje manipuláciu s vlastnosťami. Ak má presne opačné optické vlastnosti ako skrytý predmet, vytvára akýsi „negatív“.

Obe vlny sa teda prekrývajú a objekt sa stáva neviditeľným. Výsledkom je, že materiál môže ohýbať niekoľko rôznych frekvenčných rozsahov vĺn tak, že obtekajú objekt a zbiehajú sa na jeho druhej strane, čo si vonkajší pozorovateľ nemusí všimnúť. Teoretické koncepty sa množia.

Asi pred desiatimi mesiacmi spoločnosť Advanced Optical Materials zverejnila článok o možno prelomovej štúdii vedcov z University of Central Florida. Ktovie, či sa im nepodarilo prekonať existujúce obmedzenia týkajúce sa „neviditeľné klobúky»Postavené z metamateriálov. Podľa informácií, ktoré zverejnili, je zmiznutie objektu v oblasti viditeľného svetla možné.

7. Teoretické spôsoby ohýbania svetla na neviditeľnom objekte

Debashis Chanda a jeho tím opisujú použitie metamateriálu s trojrozmernou štruktúrou. Získať ho bolo možné vďaka tzv. nanotransferová tlač (NTP), ktorá vyrába kov-dielektrické pásky. Index lomu je možné zmeniť metódami nanoinžinierstva. Cesta šírenia svetla musí byť riadená v trojrozmernej povrchovej štruktúre materiálu pomocou metódy elektromagnetickej rezonancie.

Vedci sú vo svojich záveroch veľmi opatrní, no z popisu ich technológie je celkom jasné, že povlaky z takéhoto materiálu sú schopné do značnej miery vychyľovať elektromagnetické vlny. Navyše, spôsob získavania nového materiálu umožňuje výrobu veľkých plôch, čo viedlo niektorých k snívaniu o stíhačkách pokrytých takou kamuflážou, ktorá by im poskytla neviditeľnosť kompletné, od radaru po denné svetlo.

Zakrývacie zariadenia využívajúce metamateriály alebo optické techniky nespôsobujú skutočné zmiznutie predmetov, ale iba ich neviditeľnosť pre detekčné nástroje a čoskoro možno aj pre oči. Existujú však už aj radikálnejšie myšlienky. Jeng Yi Lee a Ray-Kuang Lee z Taiwanskej národnej univerzity Tsing Hua navrhli teoretický koncept kvantového „plášťa neviditeľnosti“ schopného odstrániť objekty nielen zo zorného poľa, ale aj z reality ako celku.

Bude to fungovať podobne ako vyššie, ale namiesto Maxwellových rovníc sa použije Schrödingerova rovnica. Ide o to, aby sa pole pravdepodobnosti objektu natiahlo tak, aby sa rovnalo nule. Teoreticky je to možné na mikroúrovni. Na technologické možnosti výroby takéhoto krytu sa však bude dlho čakať. Ako každý"neviditeľný uzáver„Čo sa dá povedať, že z nášho pohľadu naozaj niečo skrývala.