„Capacele de invizibilitate” sunt încă invizibile

Cel mai recent dintr-o serie de „peletine de invizibilitate” este cel născut la Universitatea din Rochester (1), care folosește sistemul optic corespunzător. Cu toate acestea, scepticii îl numesc un fel de truc iluzionistic sau efect special, în care un sistem inteligent de lentile refractă lumina și înșală viziunea observatorului.

Există o matematică destul de avansată în spatele tuturor – oamenii de știință trebuie să o folosească pentru a găsi cum să configureze cele două lentile, astfel încât lumina să fie refractată în așa fel încât să poată ascunde obiectul direct în spatele lor. Această soluție funcționează nu numai când priviți direct lentilele - este suficient un unghi de 15 grade sau altul.

1. „Șapcă de invizibilitate” de la Universitatea din Rochester.

Poate fi folosit în mașini pentru a elimina punctele moarte din oglinzi sau în săli de operație, permițând chirurgilor să vadă prin mâini. Aceasta este alta dintr-o serie lungă de dezvăluiri despre tehnologie invizibilăcare au ajuns la noi în ultimii ani.

În 2012, am auzit deja de „Cap of Invisibility” de la Universitatea Americană Duke. Doar cei mai curioși au citit atunci că era vorba despre invizibilitatea unui mic cilindru într-un mic fragment al spectrului de microunde. Cu un an mai devreme, oficialii Duke au raportat despre tehnologia sonar stealth care poate părea promițătoare în unele cercuri.

Din păcate, a fost invizibilitate doar dintr-un anumit punct de vedere și într-un domeniu restrâns, ceea ce a făcut ca tehnologia să fie puțin utilizată. În 2013, inginerii neobositei de la Duke au propus un dispozitiv imprimat 3D care camufla un obiect plasat în interior cu micro-găuri în structură (2). Totuși, din nou, acest lucru s-a întâmplat într-o gamă limitată de valuri și doar dintr-un anumit punct de vedere.

Fotografiile publicate pe internet arătau promițătoare pe capul companiei canadiane Hyperstealth, care în 2012 a fost promovată sub numele intrigant de Quantum Stealth (3). Din păcate, prototipurile funcționale nu au fost niciodată demonstrate și nici nu a fost explicat cum funcționează. Compania invocă problemele de securitate drept motiv și raportează în mod criptic că pregătește versiuni secrete ale produsului pentru armată.

Monitor frontal, camera spate

În primul rând moderncapac de invizibilitate» Introdus acum zece ani de inginerul japonez Prof. Susumu Tachi de la Universitatea din Tokyo. A folosit o cameră poziționată în spatele unui bărbat care purta o haină care era și monitor. Imaginea de la camera din spate a fost proiectată pe ea. Bărbatul îmbrăcat era „invizibil”. Un truc similar este folosit de dispozitivul de camuflaj al vehiculului Adaptiv introdus în deceniul precedent de BAE Systems (4).

Afișează o imagine în infraroșu „din spate” pe armura tancului. O astfel de mașină pur și simplu nu este văzută în dispozitivele de ochire. Ideea de a masca obiecte a luat contur în 2006. John Pendry de la Imperial College London, David Schurig și David Smith de la Universitatea Duke au publicat teoria „opticii de transformare” în revista Science și au prezentat modul în care funcționează în cazul microundelor (lungimi de undă mai mari decât lumina vizibilă).

2. O „șapcă de invizibilitate” imprimată în trei dimensiuni.

Cu ajutorul metamaterialelor adecvate, o undă electromagnetică poate fi îndoită în așa fel încât să ocolească obiectul din jur și să se întoarcă la calea curentă. Parametrul care caracterizează reacția optică generală a mediului este indicele de refracție, care determină de câte ori mai lent decât în ​​vid, lumina se mișcă în acest mediu. O calculăm ca rădăcină a produsului permeabilității relative electrice și magnetice.

permeabilitatea electrică relativă; determină de câte ori forța de interacțiune electrică dintr-o anumită substanță este mai mică decât forța de interacțiune în vid. Prin urmare, este o măsură a cât de puternic răspund sarcinile electrice dintr-o substanță la un câmp electric extern. Majoritatea substanțelor au o permitivitate pozitivă, ceea ce înseamnă că câmpul modificat de substanță are în continuare aceeași semnificație ca și câmpul extern.

Permeabilitatea magnetică relativă m determină modul în care câmpul magnetic se modifică într-un spațiu umplut cu un material dat, în comparație cu câmpul magnetic care ar exista în vid cu aceeași sursă externă de câmp magnetic. Pentru toate substanțele naturale, permeabilitatea magnetică relativă este pozitivă. Pentru mediile transparente, cum ar fi sticla sau apa, toate cele trei cantități sunt pozitive.

Apoi lumina, care trece din vid sau aer (parametrii aerului sunt doar puțin diferiți de vid) în mediu, este refractă conform legii refracției, iar raportul dintre sinusul unghiului de incidență și sinusul unghiului de refracție este egal cu indicele de refracție pentru acest mediu. Valoarea este mai mică decât zero; iar m înseamnă că electronii din interiorul mediului se mișcă în direcția opusă forței create de câmpul electric sau magnetic.

Este exact ceea ce se întâmplă în metale, în care gazul de electroni liberi suferă propriile oscilații. Dacă frecvența unei unde electromagnetice nu depășește frecvența acestor oscilații naturale ale electronilor, atunci aceste oscilații ecranează câmpul electric al undei atât de eficient încât nu îi permit să pătrundă adânc în metal și chiar să creeze un câmp îndreptat opus. către câmpul extern.

Ca urmare, permitivitatea unui astfel de material este negativă. Incapabil să pătrundă adânc în metal, radiația electromagnetică este reflectată de suprafața metalului, iar metalul însuși capătă un luciu caracteristic. Ce se întâmplă dacă ambele tipuri de permisivitate ar fi negative? Această întrebare a fost pusă în 1967 de către fizicianul rus Viktor Veselago. Se dovedește că indicele de refracție al unui astfel de mediu este negativ și lumina este refractată într-un mod complet diferit decât rezultă din legea obișnuită a refracției.

5. Refracția negativă pe suprafața unui metamaterial - vizualizare

Apoi energia undei electromagnetice este transferată înainte, dar maximele undei electromagnetice se deplasează în direcția opusă formei impulsului și energiei transferate. Astfel de materiale nu există în natură (nu există substanțe cu permeabilitate magnetică negativă). Doar în publicația din 2006 menționată mai sus și în multe alte publicații create în anii următori, s-au putut descrie și, prin urmare, construi structuri artificiale cu indice de refracție negativ (5).

Se numesc metamateriale. Prefixul grecesc „meta” înseamnă „după”, adică acestea sunt structuri realizate din materiale naturale. Metamaterialele dobândesc proprietățile de care au nevoie prin construirea de circuite electrice minuscule care imită proprietățile magnetice sau electrice ale materialului. Multe metale au o permeabilitate electrică negativă, așa că este suficient să lăsați loc elementelor care dau un răspuns magnetic negativ.

În loc de un metal omogen, pe o placă de material izolator sunt atașate o mulțime de fire metalice subțiri dispuse sub formă de grilă cubică. Prin modificarea diametrului firelor și a distanței dintre ele, este posibilă ajustarea valorilor frecvenței la care structura va avea o permeabilitate electrică negativă. Pentru a obține permeabilitatea magnetică negativă în cel mai simplu caz, designul constă din două inele rupte realizate dintr-un conductor bun (de exemplu, aur, argint sau cupru) și separate printr-un strat dintr-un alt material.

Un astfel de sistem se numește rezonator cu inel divizat - prescurtat ca SRR, din engleză. Rezonator cu inel despicat (6). Datorită golurilor din inele și distanței dintre ele, are o anumită capacitate, ca un condensator și, deoarece inelele sunt realizate din material conductiv, are și o anumită inductanță, adică. capacitatea de a genera curenti.

Modificările câmpului magnetic extern de la unda electromagnetică provoacă curgerea unui curent în inele, iar acest curent creează un câmp magnetic. Se pare că, cu un design adecvat, câmpul magnetic creat de sistem este direcționat opus câmpului extern. Acest lucru are ca rezultat o permeabilitate magnetică negativă a unui material care conține astfel de elemente. Prin stabilirea parametrilor sistemului metamaterial, se poate obține un răspuns magnetic negativ într-o gamă destul de largă de frecvențe ale undelor.

meta - clădire

Visul designerilor este de a construi un sistem în care undele ar curge ideal în jurul obiectului (7). În 2008, oamenii de știință de la Universitatea din California, Berkeley, au creat pentru prima dată în istorie materiale tridimensionale care au un indice de refracție negativ pentru lumina vizibilă și aproape de infraroșu, curbând lumina într-o direcție opusă direcției sale naturale. Ei au creat un nou metamaterial prin combinarea argintului cu fluorura de magneziu.

Apoi este tăiat într-o matrice formată din ace miniaturale. Fenomenul de refracție negativă a fost observat la lungimi de undă de 1500 nm (infraroșu apropiat). La începutul anului 2010, Tolga Ergin de la Karlsruhe Institute of Technology și colegii de la Imperial College London au creat invizibil perdea luminoasă. Cercetătorii au folosit materiale disponibile pe piață.

Au folosit cristale fotonice așezate pe o suprafață pentru a acoperi o proeminență microscopică pe o placă de aur. Deci metamaterialul a fost creat din lentile speciale. Lentilele opuse cocoașei de pe placă sunt amplasate în așa fel încât, prin devierea unei părți a undelor luminoase, elimină împrăștierea luminii pe umflătură. Observând placa la microscop, folosind lumină cu o lungime de undă apropiată de cea a luminii vizibile, oamenii de știință au văzut o placă plată.

Mai târziu, cercetătorii de la Duke University și Imperial College London au reușit să obțină o reflectare negativă a radiațiilor cu microunde. Pentru a obține acest efect, elementele individuale ale structurii metamaterialului trebuie să fie mai mici decât lungimea de undă a luminii. Deci, este o provocare tehnică care necesită producția de structuri metamateriale foarte mici, care se potrivesc cu lungimea de undă a luminii pe care ar trebui să o refracte.

Lumina vizibilă (de la violet la roșu) are o lungime de undă de 380 până la 780 de nanometri (un nanometru este o miliardime dintr-un metru). Nanotehnologii de la Universitatea Scoțiană din St. Andrews au venit în ajutor. Au primit un singur strat de metamaterial cu ochiuri extrem de dens. Paginile din New Journal of Physics descriu un metaflex capabil să îndoaie lungimi de undă de aproximativ 620 de nanometri (lumină portocalie-roșie).

În 2012, un grup de cercetători americani de la Universitatea din Texas din Austin a venit cu un truc complet diferit folosind cuptorul cu microunde. Un cilindru cu un diametru de 18 cm a fost acoperit cu un material plasmă cu impedanță negativă, care permite manipularea proprietăților. Dacă are proprietăți optice exact opuse obiectului ascuns, creează un fel de „negativ”.

Astfel, cele două valuri se suprapun și obiectul devine invizibil. Ca rezultat, materialul poate îndoi mai multe intervale de frecvență diferite ale undei, astfel încât acestea să curgă în jurul obiectului, convergând pe cealaltă parte a acestuia, ceea ce poate să nu fie vizibil pentru un observator din exterior. Conceptele teoretice se înmulțesc.

În urmă cu aproximativ o duzină de luni, Advanced Optical Materials a publicat un articol despre un studiu posibil revoluționar al oamenilor de știință de la Universitatea din Florida Centrală. Cine știe dacă nu au reușit să depășească restricțiile existente privind "pălării invizibile» Construit din metamateriale. Potrivit informațiilor publicate de aceștia, este posibilă dispariția obiectului din domeniul luminii vizibile.

7. Modalități teoretice de îndoire a luminii asupra unui obiect invizibil

Debashis Chanda și echipa sa descriu utilizarea unui metamaterial cu o structură tridimensională. A fost posibil să-l obțineți datorită așa-numitului. imprimare prin nanotransfer (NTP), care produce benzi metal-dielectrice. Indicele de refracție poate fi modificat prin metode de nanoinginerie. Calea de propagare a luminii trebuie controlată în structura de suprafață tridimensională a materialului folosind metoda rezonanței electromagnetice.

Oamenii de știință sunt foarte precauți în concluziile lor, dar din descrierea tehnologiei lor este destul de clar că acoperirile unui astfel de material sunt capabile să devieze undele electromagnetice într-o mare măsură. În plus, modul în care se obține noul material permite producerea de suprafețe mari, ceea ce i-a determinat pe unii să viseze la luptători îmbrăcați într-un astfel de camuflaj care să le ofere invizibilitate complet, de la radar la lumina zilei.

Dispozitivele de ascundere care folosesc metamateriale sau tehnici optice nu provoacă dispariția efectivă a obiectelor, ci doar invizibilitatea acestora la instrumentele de detectare, și în curând, poate, la ochi. Cu toate acestea, există deja idei mai radicale. Jeng Yi Lee și Ray-Kuang Lee de la Universitatea Națională Tsing Hua din Taiwan au propus un concept teoretic al unei „peletine de invizibilitate” cuantică capabilă să îndepărteze obiecte nu numai din câmpul vizual, ci și din realitate în ansamblu.

Acest lucru va funcționa similar cu ceea ce a fost discutat mai sus, dar ecuația Schrödinger va fi folosită în locul ecuațiilor lui Maxwell. Ideea este să întindeți câmpul de probabilitate al obiectului astfel încât să fie egal cu zero. Teoretic, acest lucru este posibil la microscală. Cu toate acestea, va dura mult timp să așteptăm posibilitățile tehnologice de fabricare a unei astfel de huse. Ca orice"capac de invizibilitate„Ceea ce se poate spune că ea chiar ascundea ceva din viziunea noastră.