"Onzichtbaarheidskappen" zijn nog steeds onzichtbaar

De nieuwste in de serie "onzichtbaarheidskappen" is er een van de Universiteit van Rochester (1), die gebruik maakt van een geschikt optisch systeem. Sceptici noemen dit echter een soort illusionistische truc of speciaal effect, waarbij een slim lenssysteem het licht breekt en de visie van de waarnemer misleidt.

Er zit behoorlijk geavanceerde wiskunde achter: wetenschappers gebruiken het om erachter te komen hoe ze de twee lenzen zo moeten afstellen dat het licht zo wordt gebroken dat het object er direct achter verborgen kan worden. Deze oplossing werkt niet alleen als je rechtstreeks in de lenzen kijkt: een hoek van 15 graden of meer is voldoende.

1. “Cap of Invisibility” van de Universiteit van Rochester.

Het kan in auto's worden gebruikt om blinde vlekken in spiegels of in operatiekamers te elimineren door chirurgen door hun handen te laten kijken. Dit is er weer een in een lange reeks onthullingen over onzichtbare technologiedie de afgelopen jaren bij ons zijn gekomen.

In 2012 hoorden we al over de ‘Cap of Invisibility’ van de Amerikaanse Duke University. Alleen de meest nieuwsgierigen lazen toen dat het ging over de onzichtbaarheid van een kleine cilinder in een klein fragment van het microgolfspectrum. Een jaar eerder rapporteerden Duke-functionarissen stealth-technologie voor sonar die in sommige kringen veelbelovend leek.

Helaas ging het over onzichtbaarheid alleen vanuit een bepaald gezichtspunt en binnen een beperkte reikwijdte, waardoor de technologie weinig nut had. In 2013 stelden onvermoeibare ingenieurs bij Duke een 3D-geprint apparaat voor dat een binnenin geplaatst object maskeerde met microgaten in de structuur (2). Dit gebeurde echter opnieuw in een beperkt golflengtebereik en alleen vanuit een bepaald gezichtspunt.

Op foto's gepubliceerd op internet zag de cape van het Canadese bedrijf Hyperstealth, die in 2012 werd geadverteerd onder de intrigerende naam Quantum Stealth (3), er veelbelovend uit. Helaas zijn er nooit werkende prototypes gedemonstreerd en is er nooit uitgelegd hoe het werkte. Het bedrijf noemt veiligheidsproblemen als reden en meldt op mysterieuze wijze dat het geheime versies van het product aan het voorbereiden is voor het leger.

Monitor aan de voorkant, camera aan de achterkant

Eerste moderneonzichtbaarheidskap» Tien jaar geleden geïntroduceerd door de Japanse ingenieur Prof. Susumu Tachi van de Universiteit van Tokio. Hij gebruikte een camera achter een man die een jas droeg, die ook dienst deed als monitor. Er werd een beeld van de achteruitrijcamera op geprojecteerd. De man in de mantel was "onzichtbaar". Een soortgelijke truc wordt gebruikt door het Adaptiv-apparaat voor het camoufleren van gevechtsvoertuigen, geïntroduceerd in het voorgaande decennium door BAE Systems (4).

Het geeft een infraroodbeeld "van achteren" weer op het pantser van de tank. Zo'n auto is simpelweg niet te zien in kijkapparatuur. Het idee om objecten te maskeren kreeg vorm in 2006. John Pendry van Imperial College London en David Schurig en David Smith van Duke University publiceerden de theorie van "transformatie-optica" in het tijdschrift Science en presenteerden hoe deze werkt in het geval van microgolven (langere golflengten dan zichtbaar licht).

2. “Onzichtbaarheidshoed” gedrukt in drie dimensies.

Met behulp van geschikte metamaterialen kan een elektromagnetische golf zodanig worden gebogen dat hij een omringend object omzeilt en terugkeert naar zijn huidige pad. Een parameter die de algehele optische respons van een medium karakteriseert, is de brekingsindex, die bepaalt hoeveel keer langzamer dan in een vacuüm licht in een bepaald medium beweegt. We berekenen het als de wortel van het product van de relatieve elektrische en magnetische permeabiliteiten.

relatieve elektrische permittiviteit; bepaalt hoeveel keer de kracht van elektrische interactie in een bepaalde stof kleiner is dan de kracht van interactie in een vacuüm. Daarom is het een maatstaf voor hoe sterk de elektrische ladingen in een stof reageren op een extern elektrisch veld. De meeste stoffen hebben een positieve diëlektrische constante, wat betekent dat het door de stof gemodificeerde veld nog steeds dezelfde betekenis heeft als het externe veld.

De relatieve magnetische permeabiliteit m bepaalt hoe het magnetische veld verandert in een ruimte gevuld met een bepaald materiaal, vergeleken met het magnetische veld dat zou bestaan ​​in een vacuüm met dezelfde externe magnetische veldbron. Voor alle in de natuur voorkomende stoffen is de relatieve magnetische permeabiliteit positief. Voor transparante media zoals glas of water zijn alle drie de grootheden positief.

Vervolgens wordt het licht, dat vanuit vacuüm of lucht (de parameters van lucht verschillen slechts weinig van vacuüm) in het medium passeert, gebroken volgens de brekingswet en de verhouding van de sinus van de invalshoek tot de sinus van de hoek van inval. breking is gelijk aan de brekingsindex voor een bepaald medium. De waarde is kleiner dan nul; en m betekent dat de elektronen in het medium bewegen in de richting tegengesteld aan de kracht die door het elektrische of magnetische veld wordt gecreëerd.

Dit is precies wat er gebeurt in metalen, waarin het vrije elektronengas zijn eigen trillingen ondergaat. Als de frequentie van de elektromagnetische golf de frequentie van deze natuurlijke oscillaties van de elektronen niet overschrijdt, schermen deze oscillaties het elektrische veld van de golf zo effectief af dat ze niet toestaan ​​dat deze diep in het metaal doordringt en zelfs een gericht veld creëert. tegenovergesteld aan het externe veld.

Als gevolg hiervan is de diëlektrische constante van een dergelijk materiaal negatief. Omdat ze niet diep in het metaal kunnen doordringen, wordt elektromagnetische straling gereflecteerd door het oppervlak van het metaal en krijgt het metaal zelf een karakteristieke glans. Wat als beide typen diëlektrische constante negatief waren? Deze vraag werd in 1967 gesteld door de Russische natuurkundige Viktor Veselago. Het blijkt dat de brekingsindex van een dergelijk medium negatief is en dat licht heel anders wordt gebroken dan wat volgt uit de gebruikelijke brekingswet.

5. Negatieve breking op het oppervlak van een metamateriaal - visualisatie

Vervolgens wordt de energie van de elektromagnetische golf voorwaarts overgedragen, maar de hoogtepunten van de elektromagnetische golf bewegen in de richting tegengesteld aan de vorm van de puls en de overgedragen energie. Dergelijke materialen bestaan ​​niet in de natuur (er zijn geen stoffen met negatieve magnetische permeabiliteit). Alleen de bovengenoemde publicatie uit 2006 en vele andere publicaties die in de daaropvolgende jaren zijn gemaakt, waren in staat kunstmatige structuren met een negatieve brekingsindex te beschrijven en dus te construeren (5).

Ze werden metamaterialen genoemd. Het Griekse voorvoegsel “meta” betekent “na”, dat wil zeggen, dit zijn structuren gemaakt van natuurlijke materialen. Metamaterialen verwerven de eigenschappen die ze nodig hebben door kleine elektrische circuits te bouwen die de magnetische of elektrische eigenschappen van het materiaal nabootsen. Veel metalen hebben een negatieve elektrische permeabiliteit, dus het is voldoende om ruimte over te laten voor elementen die een negatieve magnetische respons geven.

In plaats van een homogeen metaal zijn veel dunne metaaldraden, gerangschikt in een kubusvormig rooster, bevestigd aan een plaat isolatiemateriaal. Door de diameter van de draden en de afstand ertussen te veranderen, kunt u de frequentiewaarden aanpassen waarbij de structuur een negatieve elektrische permeabiliteit zal hebben. Om in het eenvoudigste geval een negatieve magnetische permeabiliteit te verkrijgen, bestaat het ontwerp uit twee gebroken ringen gemaakt van een goede geleider (bijvoorbeeld goud, zilver of koper) en gescheiden door een laag van een ander materiaal.

Dit systeem wordt een splitringresonator genoemd, afgekort als SRR. Splitringresonator (6). Vanwege de gaten in de ringen en de afstand daartussen heeft deze een bepaalde capaciteit, zoals een condensator, en aangezien de ringen van geleidend materiaal zijn gemaakt, heeft deze ook een bepaalde inductie, d.w.z. vermogen om stroom te genereren.

Veranderingen in het externe magnetische veld als gevolg van een elektromagnetische golf zorgen ervoor dat er stroom door de ringen vloeit, en deze stroom creëert een magnetisch veld. Het blijkt dat met een passend ontwerp het door het systeem gecreëerde magnetische veld tegengesteld gericht is aan het externe veld. Dit leidt tot een negatieve magnetische permeabiliteit van het materiaal dat dergelijke elementen bevat. Door de parameters van een metamateriaalsysteem in te stellen, is het mogelijk een negatieve magnetische respons te verkrijgen in een vrij breed bereik van golffrequenties.

meta - bouwen

De droom van de ontwerpers is om een ​​systeem te bouwen waarin golven idealiter rond een object zouden stromen (7). In 2008 creëerden wetenschappers van de University of California, Berkeley de allereerste driedimensionale materialen die een negatieve brekingsindex hebben voor zichtbaar en nabij-infrarood licht, waardoor licht in de tegenovergestelde richting van de natuurlijke richting wordt gebogen. Ze creëerden een nieuw metamateriaal door zilver te combineren met magnesiumfluoride.

Vervolgens wordt het in een matrix gesneden die bestaat uit miniatuurnaalden. Het fenomeen van negatieve breking is waargenomen bij golflengten van 1500 nm (nabij-infrarood). Begin 2010 creëerden Tolga Ergin van het Karlsruhe Institute of Technology en zijn collega's van het Imperial College London onzichtbaar dimlicht gordijn. De onderzoekers gebruikten materialen die op de markt verkrijgbaar waren.

Ze gebruikten fotonische kristallen die op een oppervlak werden gelegd om een ​​microscopisch klein uitsteeksel op een gouden plaat te bedekken. Zo ontstond uit speciale lenzen een metamateriaal. De lenzen tegenover de bult op de plaat zijn zo geplaatst dat ze, door een deel van de lichtgolven af ​​te buigen, de verstrooiing van licht op de bult elimineren. Door de plaat onder een microscoop te observeren, met behulp van licht met een golflengte die dicht bij die van zichtbaar licht lag, zagen de wetenschappers een vlakke plaat.

Later slaagden onderzoekers van Duke University en Imperial College London erin een negatieve reflectie van microgolfstraling te verkrijgen. Om dit effect te bereiken moeten individuele elementen van de metamateriaalstructuur kleiner zijn dan de golflengte van licht. Dit is dus een technisch uitdagende taak, die de productie vereist van zeer kleine metamateriaalstructuren die overeenkomen met de golflengte van het licht dat ze nodig hebben om te breken.

Zichtbaar licht (violet tot rood) heeft een golflengte van 380 tot 780 nanometer (een nanometer is een miljardste van een meter). Nanotechnologiespecialisten van de Schotse Universiteit van St. Andrews kwamen te hulp. Ze verkregen een enkele laag metamateriaal met een extreem dicht netwerk. The New Journal of Physics beschrijft een metaflex die golflengten van ongeveer 620 nanometer (oranjerood licht) kan buigen.

In 2012 presenteerde een groep Amerikaanse onderzoekers van de Universiteit van Texas in Austin een heel andere truc met behulp van microgolven. De cilinder met een diameter van 18 cm werd bekleed met plasmamateriaal met negatieve impedantie, waardoor de eigenschappen konden worden gemanipuleerd. Als het precies de tegenovergestelde optische eigenschappen heeft als het verborgen object, ontstaat er een soort "negatief".

De twee golven overlappen elkaar dus en het object wordt onzichtbaar. Als gevolg hiervan kan het materiaal verschillende frequentiebereiken van de golf buigen, zodat deze rond het object stromen en aan de andere kant ervan samenkomen, wat voor een waarnemer van buitenaf onmerkbaar kan lijken. Theoretische concepten vermenigvuldigen zich.

Ongeveer twaalf maanden geleden verscheen er een artikel in Advanced Optical Materials over een mogelijk baanbrekend onderzoek door wetenschappers van de University of Central Florida. Wie weet of ze er niet in zijn geslaagd de bestaande beperkingen op "onzichtbare hoeden»Opgebouwd uit metamaterialen. Volgens de informatie die ze hebben gepubliceerd, is het mogelijk dat een object verdwijnt in het zichtbare lichtbereik.

7. Theoretische manieren om licht op een onzichtbaar object te buigen

Debashis Chanda en zijn team beschrijven het gebruik van een metamateriaal met een driedimensionale structuur. We zijn erin geslaagd het te bemachtigen dankzij de zogenaamde. nanotransferprinten (NTP), productie van metaal-diëlektrische tapes. De brekingsindex kan worden gewijzigd met behulp van nano-engineeringmethoden. Het lichtvoortplantingspad moet worden gecontroleerd in de driedimensionale oppervlaktestructuur van het materiaal met behulp van elektromagnetische resonantietechniek.

Wetenschappers zijn erg voorzichtig in hun conclusies, maar uit de beschrijving van hun technologie is het absoluut duidelijk dat coatings gemaakt van een dergelijk materiaal in staat zijn elektromagnetische golven aanzienlijk af te buigen. Bovendien maakt de methode om het nieuwe materiaal te verkrijgen de productie van grote gebieden mogelijk, waardoor sommigen al droomden van jagers bedekt met een dergelijke camouflage die hen zou voorzien onzichtbaarheid compleet, van radar tot daglicht.

Verbergingsapparatuur die gebruik maakt van metamaterialen of optische technieken veroorzaakt niet de daadwerkelijke verdwijning van objecten, maar alleen hun onzichtbaarheid voor detectiemiddelen, en binnenkort mogelijk ook voor het oog. Er zijn echter al radicalere ideeën. Jeng Yi Lee en Ray-Kuang Lee van de Nationale Tsing Hua Universiteit van Taiwan hebben een theoretisch concept voorgesteld van een kwantum ‘onzichtbaarheidskap’ die objecten niet alleen uit het zicht kan verwijderen, maar ook uit de werkelijkheid als geheel.

Dit zal op dezelfde manier werken als wat hierboven werd besproken, maar in plaats van de vergelijkingen van Maxwell zal de Schrödingervergelijking worden gebruikt. Het idee is om het waarschijnlijkheidsveld van het object uit te rekken zodat het gelijk is aan nul. Dit is theoretisch mogelijk op microschaal. Het zal echter lang duren om te wachten op de technologische mogelijkheden om een ​​dergelijke hoes te vervaardigen. Gelijk aan elke "onzichtbaarheidskap“, Waarvan we kunnen zeggen dat ze echt iets voor ons verborgen hield.