Nieuwe metamaterialen: licht onder controle

De overvloed aan rapporten over ‘metamaterialen’ (tussen aanhalingstekens omdat de definitie begint te vervagen) doet ons denken dat ze bijna een wondermiddel zijn voor alle problemen, pijnen en beperkingen waarmee de moderne technologische wereld wordt geconfronteerd. De meest interessante concepten van de laatste tijd hebben te maken met optisch computergebruik en virtual reality.

in een relatie hypothetische computers van de toekomstVoorbeelden hiervan zijn onderzoeken van specialisten van de Israëlische TAU Universiteit in Tel Aviv. Ze ontwerpen meerlaagse nanomaterialen die de creatie van optische computers mogelijk zullen maken. Op hun beurt hebben onderzoekers van het Zwitserse Paul Scherrer Instituut een driefasige substantie gebouwd uit een miljard miniatuurmagneten die daartoe in staat zijn simuleren drie aggregatietoestanden, naar analogie met water.

Waar kan dit voor gebruikt worden? De Israëliërs willen bouwen. De Zwitsers praten over gegevensoverdracht en -registratie, en spintronica in het algemeen.

Driefasig metamateriaal gemaakt van minimagneten, dat de drie toestanden van water simuleert.

Fotonen op aanvraag

Onderzoek door wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van optische computers op basis van metamaterialen. Ze stellen voor een soort laserframe te creëren dat specifieke pakketjes atomen op een specifieke locatie kan vangen, waardoor een strikt ontworpen en gecontroleerde situatie ontstaat op licht gebaseerde structuur. Het lijkt op natuurlijke kristallen. Met één verschil: het is bijna perfect; er worden geen gebreken waargenomen in natuurlijke materialen.

Wetenschappers denken dat ze niet alleen de positie van groepen atomen in hun ‘lichtkristal’ nauwgezet kunnen controleren, maar ook het gedrag van individuele atomen actief kunnen beïnvloeden met behulp van een andere laser (nabij-infrarood). Ze zullen hen bijvoorbeeld dwingen om op verzoek een bepaalde energie uit te zenden - zelfs een enkel foton, dat, wanneer het van de ene plaats in het kristal wordt verwijderd, een atoom kan beïnvloeden dat gevangen zit in een andere. Het zal een soort eenvoudige uitwisseling van informatie zijn.

Het vermogen om snel op een gecontroleerde manier een foton vrij te geven en dit met weinig verlies van het ene atoom naar het andere over te dragen, is een belangrijke stap in de informatieverwerking voor kwantumcomputers. Je kunt je voorstellen dat je hele reeksen gecontroleerde fotonen zou gebruiken om zeer complexe berekeningen uit te voeren - veel sneller dan met moderne computers. Atomen ingebed in een kunstmatig kristal kunnen ook van de ene plaats naar de andere springen. In dit geval zouden ze zelf informatiedragers worden in een kwantumcomputer of een kwantumsensor kunnen creëren.

Wetenschappers hebben ontdekt dat rubidiumatomen ideaal zijn voor hun doeleinden. Barium-, calcium- of cesiumatomen kunnen echter ook worden opgevangen door een kunstmatig laserkristal omdat ze vergelijkbare energieniveaus hebben. Om het voorgestelde metamateriaal in een echt experiment te kunnen maken, zou het onderzoeksteam verschillende atomen in een kunstmatig kristalrooster moeten vangen en ze daar moeten houden, zelfs als ze worden opgewonden naar hogere energietoestanden.

Virtuele realiteit zonder optische gebreken

Metamaterialen zouden ook nuttige toepassingen kunnen vinden in een ander zich ontwikkelend technologiegebied. Virtuele realiteit kent veel verschillende beperkingen. De ons bekende onvolkomenheden van de optica spelen een belangrijke rol. Het is bijna onmogelijk om een ​​perfect optisch systeem te bouwen, omdat er altijd zogenaamde aberraties zijn, d.w.z. golfvervormingen veroorzaakt door verschillende factoren. We zijn ons bewust van sferische en chromatische aberraties, astigmatisme, coma en vele, vele andere nadelige effecten van optica. Iedereen die virtual reality-sets heeft gebruikt, heeft waarschijnlijk met deze verschijnselen te maken gehad. Het is onmogelijk om VR-optiek te ontwerpen die licht van gewicht is, beelden van hoge kwaliteit produceert, geen zichtbare regenbogen (chromatische aberraties) heeft, een groot gezichtsveld heeft en goedkoop is. Dit is gewoon onwerkelijk.

Fabrikanten van VR-apparatuur - Oculus en HTC - gebruiken daarom zogenaamde Fresnel-lenzen. Hierdoor kunt u aanzienlijk minder gewicht verkrijgen, chromatische aberraties elimineren en een relatief lage prijs krijgen (het materiaal voor de productie van dergelijke lenzen is goedkoop). Helaas veroorzaken lichtbrekende ringen w Fresnel-lenzen een aanzienlijke contrastdaling en het ontstaan ​​van een centrifugale gloed, wat vooral merkbaar is wanneer de scène een hoog contrast heeft (zwarte achtergrond).

Recentelijk zijn wetenschappers van de Harvard University, onder leiding van Federico Capasso, er echter in geslaagd zich te ontwikkelen dunne en platte lens met behulp van metamaterialen. De nanostructuurlaag op glas is dunner dan een mensenhaar (0,002 mm). Het heeft niet alleen niet de typische nadelen, maar biedt ook een veel betere beeldkwaliteit dan dure optische systemen.

De Capasso-lens verandert, in tegenstelling tot typische convexe lenzen die licht buigen en verstrooien, de eigenschappen van de lichtgolf als gevolg van microscopische structuren die uit het oppervlak steken en zijn afgezet op kwartsglas. Elk van deze uitsteeksels breekt het licht op een andere manier, waardoor de richting ervan verandert. Daarom is het belangrijk om een ​​dergelijke nanostructuur (patroon), die op een computer is ontworpen en geproduceerd met behulp van methoden die vergelijkbaar zijn met computerprocessors, correct te distribueren. Dit betekent dat dit type lens in dezelfde fabrieken kan worden geproduceerd als voorheen, met behulp van bekende processen. Voor het spuiten wordt titaniumdioxide gebruikt.

Het is de moeite waard om een ​​andere innovatieve oplossing van “meta-optica” te noemen. metamateriaal hyperlenzen, gemaakt aan de Amerikaanse Universiteit in Buffalo. De eerste versies van hyperlenzen waren gemaakt van zilver en een diëlektrisch materiaal, maar ze werkten alleen in een zeer smal golflengtebereik. De Buffalo-wetenschappers gebruikten een concentrische opstelling van gouden staven in een thermoplastische behuizing. Het werkt in het golflengtebereik van zichtbaar licht. De onderzoekers illustreren de toename van de resolutie als gevolg van de nieuwe oplossing met een medische endoscoop als voorbeeld. Het herkent doorgaans objecten tot 10 nanometer, en na het installeren van hyperlenzen “gaat” het terug tot 250 nanometer. Het ontwerp overwint het probleem van diffractie, een fenomeen dat de resolutie van optische systemen aanzienlijk vermindert - in plaats van golfvervormingen worden ze omgezet in golven die in volgende optische apparaten kunnen worden opgenomen.

Volgens een publicatie in Nature Communications kan deze methode op veel terreinen worden gebruikt, van de geneeskunde tot de observatie van individuele moleculen. Het is passend om te wachten op specifieke apparaten op basis van metamaterialen. Misschien zullen ze ervoor zorgen dat virtual reality eindelijk een echt succes wordt. Wat “optische computers” betreft, dit zijn nog steeds tamelijk verre en vage vooruitzichten. Niets valt echter uit te sluiten...