„Neviditelné čepice“ jsou stále neviditelné

Poslední z řady „pláště neviditelnosti“ je ten, který se zrodil na University of Rochester (1), který využívá příslušný optický systém. Skeptici to však nazývají jakýmsi iluzionistickým trikem nebo speciálním efektem, při kterém chytrý systém čoček láme světlo a klame zrak pozorovatele.

Za vším je docela pokročilá matematika – vědci ji potřebují použít, aby zjistili, jak nastavit dvě čočky tak, aby se světlo lámalo takovým způsobem, aby mohli skrýt objekt přímo za nimi. Toto řešení funguje nejen při přímém pohledu do čoček – stačí úhel 15 stupňů nebo jiný.

1. "Neviditelná čepice" z University of Rochester.

Může být použit v autech k odstranění mrtvých úhlů v zrcátkách nebo na operačních sálech, což umožňuje chirurgům vidět skrz jejich ruce. Toto je další z dlouhé řady odhalení neviditelná technologiekteré k nám v posledních letech přišly.

V roce 2012 jsme již slyšeli o „Cap of Invisibility“ z americké Duke University. Jen ti nejzvídavější se tehdy dočetli, že jde o neviditelnost malého válečku v nepatrném fragmentu mikrovlnného spektra. O rok dříve představitelé Duke informovali o technologii stealth sonaru, která se v některých kruzích může zdát slibná.

Bohužel bylo neviditelnost pouze z určitého úhlu pohledu a v úzkém záběru, díky čemuž byla technologie málo využitelná. V roce 2013 neúnavní inženýři v Duke navrhli 3D tištěné zařízení, které maskovalo předmět umístěný uvnitř mikrootvory ve struktuře (2). Opět se to však dělo v omezeném rozsahu vln a pouze z určitého úhlu pohledu.

Na fotografiích zveřejněných na internetu vypadala slibně pláštěnka kanadské společnosti Hyperstealth, která byla v roce 2012 inzerována pod zajímavým názvem Quantum Stealth (3). Bohužel nebyly nikdy předvedeny fungující prototypy, ani nebylo vysvětleno, jak to funguje. Společnost jako důvod uvádí bezpečnostní problémy a tajně hlásí, že připravuje tajné verze produktu pro armádu.

Přední monitor, zadní kamera

První moderníčepice neviditelnosti» Před deseti lety představil japonský inženýr Prof. Susumu Tachi z Tokijské univerzity. Použil kameru umístěnou za mužem v kabátě, který byl zároveň monitorem. Na něj se promítal obraz ze zadní kamery. Muž v plášti byl „neviditelný“. Podobný trik používá maskovací zařízení vozidel Adaptiv představené v předchozím desetiletí společností BAE Systems (4).

Zobrazuje infračervený obraz „zezadu“ na pancíři tanku. Takový stroj se v zaměřovačích jen tak nevidí. Myšlenka maskování předmětů dostala podobu v roce 2006. John Pendry z Imperial College London, David Schurig a David Smith z Duke University publikovali v časopise Science teorii „transformační optiky“ a prezentovali, jak funguje v případě mikrovln (delší vlnové délky než viditelné světlo).

2. "Neviditelná čepice" vytištěná ve třech rozměrech.

Pomocí vhodných metamateriálů lze elektromagnetickou vlnu ohnout tak, aby obešla okolní objekt a vrátila se do své aktuální dráhy. Parametr charakterizující obecnou optickou reakci prostředí je index lomu, který určuje, kolikrát pomaleji než ve vakuu se světlo v tomto prostředí pohybuje. Vypočítáme ji jako odmocninu součinu relativní elektrické a magnetické permeability.

relativní elektrická permeabilita; určuje, kolikrát je elektrická interakční síla v dané látce menší než interakční síla ve vakuu. Jde tedy o míru toho, jak silně elektrické náboje v látce reagují na vnější elektrické pole. Většina látek má kladnou permitivitu, což znamená, že pole změněné látkou má stále stejný význam jako vnější pole.

Relativní magnetická permeabilita m určuje, jak se mění magnetické pole v prostoru vyplněném daným materiálem ve srovnání s magnetickým polem, které by existovalo ve vakuu se stejným externím zdrojem magnetického pole. U všech přirozeně se vyskytujících látek je relativní magnetická permeabilita kladná. U průhledných médií, jako je sklo nebo voda, jsou všechny tři veličiny kladné.

Poté se světlo, procházející z vakua nebo vzduchu (parametry vzduchu se od vakua liší jen nepatrně) do prostředí láme podle zákona lomu a poměr sinu úhlu dopadu k sinu úhlu lomu je rovný indexu lomu pro toto médium. Hodnota je menší než nula; a m znamená, že elektrony uvnitř média se pohybují v opačném směru, než je síla vytvářená elektrickým nebo magnetickým polem.

To je přesně to, co se děje v kovech, ve kterých volný elektronový plyn podléhá vlastním oscilacím. Pokud frekvence elektromagnetické vlny nepřekročí frekvenci těchto vlastních oscilací elektronů, pak tyto oscilace stíní elektrické pole vlny tak účinně, že mu nedovolí proniknout hluboko do kovu a dokonce vytvořit pole směřující opačně. do vnějšího pole.

V důsledku toho je permitivita takového materiálu záporná. Elektromagnetické záření, které nemůže proniknout hluboko do kovu, se odráží od povrchu kovu a samotný kov získává charakteristický lesk. Co kdyby byly oba typy permitivity negativní? Tuto otázku si položil v roce 1967 ruský fyzik Viktor Veselago. Ukazuje se, že index lomu takového prostředí je negativní a světlo se láme úplně jinak, než vyplývá z obvyklého zákona lomu.

5. Negativní lom na povrchu metamateriálu - vizualizace

Poté se energie elektromagnetické vlny přenese vpřed, ale maxima elektromagnetické vlny se pohybují v opačném směru, než je tvar impulsu a přenášené energie. Takové materiály v přírodě neexistují (neexistují látky s negativní magnetickou permeabilitou). Pouze ve výše uvedené publikaci z roku 2006 a v mnoha dalších publikacích vytvořených v následujících letech bylo možné popsat, a tedy vybudovat umělé struktury s negativním indexem lomu (5).

Říká se jim metamateriály. Řecká předpona „meta“ znamená „po“, to znamená, že se jedná o struktury vyrobené z přírodních materiálů. Metamateriály získávají vlastnosti, které potřebují, budováním malých elektrických obvodů, které napodobují magnetické nebo elektrické vlastnosti materiálu. Mnoho kovů má negativní elektrickou permeabilitu, takže stačí ponechat prostor pro prvky, které dávají negativní magnetickou odezvu.

Namísto homogenního kovu je na desku izolačního materiálu připevněno množství tenkých kovových drátů uspořádaných ve formě krychlové mřížky. Změnou průměru drátů a vzdálenosti mezi nimi je možné upravit hodnoty frekvence, při kterých bude mít konstrukce negativní elektrickou propustnost. Pro získání záporné magnetické permeability v nejjednodušším případě se design skládá ze dvou zlomených kroužků vyrobených z dobrého vodiče (například zlata, stříbra nebo mědi) a oddělených vrstvou jiného materiálu.

Takový systém se nazývá dělený prstencový rezonátor – zkráceně SRR, z angličtiny. Rezonátor s děleným kroužkem (6). Díky mezerám v kroužcích a vzdálenosti mezi nimi má určitou kapacitu, jako kondenzátor, a protože jsou kroužky z vodivého materiálu, má i určitou indukčnost, tzn. schopnost generovat proudy.

Změny vnějšího magnetického pole od elektromagnetické vlny způsobují, že v prstencích protéká proud a tento proud vytváří magnetické pole. Ukazuje se, že při vhodném návrhu je magnetické pole vytvořené systémem nasměrováno opačně než vnější pole. To má za následek negativní magnetickou permeabilitu materiálu obsahujícího takové prvky. Nastavením parametrů metamateriálového systému lze získat negativní magnetickou odezvu v poměrně širokém rozsahu vlnových frekvencí.

meta - budova

Snem konstruktérů je vybudovat systém, ve kterém by vlny ideálně obtékaly objekt (7). V roce 2008 vědci z Kalifornské univerzity v Berkeley poprvé v historii vytvořili trojrozměrné materiály, které mají negativní index lomu pro viditelné a blízké infračervené světlo a ohýbají světlo opačným směrem, než je jeho přirozený směr. Vytvořili nový metamateriál spojením stříbra s fluoridem hořečnatým.

Poté se nařeže na matrici sestávající z miniaturních jehel. Jev negativní refrakce byl pozorován při vlnových délkách 1500 nm (blízké infračervené). Na začátku roku 2010 Tolga Ergin z Karlsruhe Institute of Technology a kolegové z Imperial College London vytvořili neviditelný světelný závěs. Výzkumníci použili materiály dostupné na trhu.

Použili fotonické krystaly položené na povrchu, aby zakryly mikroskopický výčnělek na zlaté desce. Metamateriál byl tedy vytvořen ze speciálních čoček. Čočky naproti hrbu na plotně jsou umístěny tak, že vychylováním části světelných vln eliminují rozptyl světla na vyboulení. Pozorováním desky pod mikroskopem pomocí světla s vlnovou délkou blízkou viditelnému světlu vědci viděli plochou desku.

Později se vědcům z Duke University a Imperial College London podařilo získat negativní odraz mikrovlnného záření. K dosažení tohoto efektu musí být jednotlivé prvky metamateriálové struktury menší než vlnová délka světla. Jde tedy o technickou výzvu, která vyžaduje výrobu velmi malých metamateriálových struktur, které odpovídají vlnové délce světla, které mají lámat.

Viditelné světlo (fialové až červené) má vlnovou délku 380 až 780 nanometrů (nanometr je jedna miliardtina metru). Na pomoc přišli nanotechnologové ze skotské univerzity St. Andrews. Získali jednu vrstvu extrémně hustě propleteného metamateriálu. Stránky New Journal of Physics popisují metaflex schopný ohýbat vlnové délky asi 620 nanometrů (oranžovo-červené světlo).

V roce 2012 přišla skupina amerických vědců z Texaské univerzity v Austinu na zcela jiný trik využívající mikrovlny. Válec o průměru 18 cm byl potažen plazmovým materiálem s negativní impedancí, který umožňuje manipulaci s vlastnostmi. Pokud má přesně opačné optické vlastnosti než skrytý předmět, vytváří jakýsi „negativ“.

Tím se obě vlny překrývají a objekt se stává neviditelným. Výsledkem je, že materiál může ohýbat několik různých frekvenčních rozsahů vlny tak, že obtékají objekt a sbíhají se na jeho druhé straně, což nemusí být pro vnějšího pozorovatele patrné. Teoretické koncepty se množí.

Zhruba před tuctem měsíců zveřejnil Advanced Optical Materials článek o možná převratné studii vědců z University of Central Florida. Kdo ví, jestli se jim nepodařilo překonat stávající omezení na "neviditelné klobouky»Postaveno z metamateriálů. Podle informací, které zveřejnili, je zmizení objektu v oblasti viditelného světla možné.

7. Teoretické způsoby ohýbání světla na neviditelném předmětu

Debashis Chanda a jeho tým popisují použití metamateriálu s trojrozměrnou strukturou. Získat ho bylo možné díky tzv. nanotransferový tisk (NTP), který vyrábí metal-dielektrické pásky. Index lomu lze změnit metodami nanoinženýrství. Cesta šíření světla musí být řízena v trojrozměrné povrchové struktuře materiálu pomocí metody elektromagnetické rezonance.

Vědci jsou ve svých závěrech velmi opatrní, ale z popisu jejich technologie je zcela zřejmé, že povlaky z takového materiálu jsou schopny do značné míry vychylovat elektromagnetické vlny. Navíc způsob získávání nového materiálu umožňuje výrobu velkých ploch, což vedlo některé k snění o stíhačkách pokrytých takovou kamufláží, která by jim poskytla neviditelnost kompletní, od radaru po denní světlo.

Zakrývací zařízení využívající metamateriály nebo optické techniky nezpůsobují skutečné zmizení objektů, ale pouze jejich neviditelnost pro detekční nástroje a brzy možná i pro oko. Existují však již radikálnější myšlenky. Jeng Yi Lee a Ray-Kuang Lee z tchajwanské národní univerzity Tsing Hua navrhli teoretický koncept kvantového „pláště neviditelnosti“ schopného odstranit objekty nejen ze zorného pole, ale i z reality jako celku.

Bude to fungovat podobně jako výše, ale místo Maxwellových rovnic bude použita Schrödingerova rovnice. Jde o to roztáhnout pole pravděpodobnosti objektu tak, aby se rovnalo nule. Teoreticky je to možné v mikroměřítku. Na technologické možnosti výroby takového krytu se však bude dlouho čekat. Jako každý"čepice neviditelnosti„Což lze říci, že před naším zrakem skutečně něco skrývala.