Nové metamateriály: světlo pod kontrolou

Spousta zpráv o „metamateriálech“ (v uvozovkách, protože definice se začíná rozmazávat) nás nutí považovat je za téměř všelék na všechny problémy, bolesti a omezení, kterým moderní svět technologií čelí. Nejzajímavější koncepty se v poslední době týkají optických počítačů a virtuální reality.

ve vztahu hypotetické počítače budoucnostijako příklad lze uvést výzkum specialistů z izraelské univerzity TAU v Tel Avivu. Navrhují vícevrstvé nanomateriály, které by měly být použity k vytvoření optických počítačů. Výzkumníci ze švýcarského institutu Paula Scherrera zase sestrojili třífázovou látku z miliardy miniaturních magnetů schopných simulovat tři agregované stavyanalogicky s vodou.

K čemu se dá použít? Izraelci chtějí stavět. Švýcaři mluví o přenosu a záznamu dat, stejně jako o spintronice obecně.

Třífázový metamateriál vyrobený z minimagnetů, který napodobuje tři skupenství vody.

Fotony na vyžádání

Výzkum vědců z Národní laboratoře Lawrence Berkeley na ministerstvu energetiky může vést k vývoji optických počítačů založených na metamateriálech. Navrhují vytvořit jakýsi laserový rámec, který dokáže zachytit určité balíčky atomů na určitém místě a vytvořit tak přísně navržený, kontrolovaný struktura založená na světle. Připomíná přírodní krystaly. S jedním rozdílem - je téměř dokonalý, u přírodních materiálů nejsou pozorovány žádné vady.

Vědci se domnívají, že budou schopni nejen pevně kontrolovat polohu skupin atomů ve svém „světelném krystalu“, ale také aktivně ovlivňovat chování jednotlivých atomů pomocí dalšího laseru (blízká infračervená oblast). Přinutí je například na požádání emitovat určitou energii – dokonce i jediný foton, který po odstranění z jednoho místa v krystalu může působit na atom uvězněný v jiném. Půjde o jakousi jednoduchou výměnu informací.

Schopnost rychle uvolnit foton kontrolovaným způsobem a přenést jej s malou ztrátou z jednoho atomu na druhý je důležitým krokem zpracování informací pro kvantové výpočty. Lze si představit použití celých polí řízených fotonů k provádění velmi složitých výpočtů – mnohem rychleji než pomocí moderních počítačů. Atomy vložené do umělého krystalu by také mohly přeskakovat z jednoho místa na druhé. V tomto případě by se sami stali nosiči informací v kvantovém počítači nebo by mohli vytvořit kvantový senzor.

Vědci zjistili, že atomy rubidia jsou pro jejich účely ideální. Atomy barya, vápníku nebo cesia však mohou být zachyceny i umělým laserovým krystalem, protože mají podobnou energetickou hladinu. K vytvoření navrhovaného metamateriálu ve skutečném experimentu by výzkumný tým musel zachytit několik atomů v umělé krystalové mřížce a udržet je tam, i když jsou excitovány do vyšších energetických stavů.

Virtuální realita bez optických vad

Metamateriály by mohly najít užitečné aplikace v jiné rozvíjející se oblasti technologie -. Virtuální realita má mnoho různých omezení. Významnou roli hrají nám známé nedokonalosti optiky. Postavit dokonalý optický systém je prakticky nemožné, protože vždy dochází k tzv. aberacím, tzn. vlnové zkreslení způsobené různými faktory. Jsme si vědomi sférických a chromatických aberací, astigmatismu, kómatu a mnoha dalších nepříznivých vlivů optiky. Každý, kdo používal sady virtuální reality, se s těmito jevy musel potýkat. Je nemožné navrhnout VR optiku, která je lehká, produkuje vysoce kvalitní snímky, nemá viditelnou duhu (chromatické aberace), poskytuje velké zorné pole a je levná. Tohle je prostě neskutečné.

To je důvod, proč výrobci zařízení pro VR Oculus a HTC používají takzvané Fresnelovy čočky. To umožňuje získat výrazně nižší hmotnost, eliminovat chromatické aberace a získat relativně nízkou cenu (materiál na výrobu takových čoček je levný). Bohužel refrakční kroužky způsobují w Fresnelovy čočky výrazný pokles kontrastu a vytvoření odstředivé záře, která je patrná zejména tam, kde má scéna vysoký kontrast (černé pozadí).

Nedávno se však vědcům z Harvardské univerzity v čele s Federicem Capassem podařilo vyvinout tenká a plochá čočka využívající metamateriály. Nanostrukturní vrstva na skle je tenčí než lidský vlas (0,002 mm). Nejen, že nemá typické nevýhody, ale také poskytuje mnohem lepší kvalitu obrazu než drahé optické systémy.

Capasso čočka, na rozdíl od typických konvexních čoček, které ohýbají a rozptylují světlo, mění vlastnosti světelné vlny díky mikroskopickým strukturám vyčnívajícím z povrchu, uloženým na křemenném skle. Každá taková římsa láme světlo jinak a mění jeho směr. Proto je důležité správně distribuovat takovou nanostrukturu (vzor), která je počítačově navržena a vyrobena metodami podobnými počítačovým procesorům. To znamená, že tento typ čoček lze vyrábět ve stejných továrnách jako dříve za použití známých výrobních postupů. Oxid titaničitý se používá pro naprašování.

Za zmínku stojí další inovativní řešení „metaoptiky“. metamateriálové hyperčočkypřijata na Americké univerzitě v Buffalu. První verze hyperčoček byly vyrobeny ze stříbra a dielektrického materiálu, ale fungovaly pouze ve velmi úzkém rozsahu vlnových délek. Vědci z Buffala použili soustředné uspořádání zlatých prutů v termoplastickém pouzdře. Funguje v rozsahu vlnových délek viditelného světla. Výzkumníci ilustrují zvýšení rozlišení vyplývající z nového řešení pomocí lékařského endoskopu jako příkladu. Obvykle rozpozná objekty do velikosti 10 250 nanometrů a po instalaci hyperčoček „spadne“ až na XNUMX nanometrů. Konstrukce překonává problém difrakce, což je jev, který výrazně snižuje rozlišení optických systémů - namísto zkreslení vln se převádějí na vlny, které lze zaznamenat v následných optických zařízeních.

Podle publikace v Nature Communications lze tuto metodu použít v mnoha oblastech, od medicíny po pozorování jednotlivých molekul. Je vhodné počkat na konkrétní zařízení na bázi metamateriálů. Snad umožní virtuální realitě konečně dosáhnout skutečného úspěchu. Pokud jde o „optické počítače“, jsou to stále spíše vzdálené a vágní vyhlídky. Nelze však nic vyloučit...