Нові метаматеріали: світло під контролем

Безліч повідомлень про «метаматеріали» (у лапках, тому що визначення починає розпливатися) змушує нас думати про них мало не як про панацею від усіх проблем, болю та обмежень, з якими стикається сучасний світ технологій. Найцікавіші концепції останнім часом стосуються оптичних комп'ютерів та віртуальної реальності.

у відносинах гіпотетичні комп'ютери майбутньогояк приклади можна навести дослідження фахівців ізраїльського університету ТАУ в Тель-Авіві. Вони конструюють багатошарові наноматеріали, завдяки яким мають бути створені оптичні комп'ютери. У свою чергу, дослідники зі швейцарського Інституту Пауля Шеррера побудували трифазну речовину з мільярда мініатюрних магнітів, здатних імітувати три агрегатні стани, за аналогією з водою.

Навіщо це можна використовувати? Ізраїльтяни хочуть будувати. Швейцарці говорять про передачу даних та записи, а також про спінтронік загалом.

Трифазний метаматеріал із мінімагнетиків, що імітує три стани води.

Фотони за запитом

Дослідження вчених із Національної лабораторії Лоуренса Берклі при Міністерстві енергетики можуть призвести до розробки оптичних комп'ютерів на основі метаматеріалів. Вони пропонують створити якийсь лазерний каркас, який зможе вловлювати певні пакети атомів у певному місці, створюючи строго спроектовану, контрольовану структура на основі світла. Він нагадує природні кристали. З однією відмінністю – він практично ідеальний, у натуральних матеріалах немає жодних дефектів.

Вчені вважають, що вони зможуть як жорстко контролювати становище груп атомів у своєму «світловому кристалі», а й активно проводити поведінка окремих атомів з допомогою іншого лазера (ближнього інфрачервоного діапазону). Вони змусять їх, наприклад, за запитом випромінювати певну енергію - навіть один фотон, який, віддалений з одного місця кристала, зможе впливати на атом, захоплений в іншому. Це буде своєрідний простий обмін інформацією.

Здатність швидко вивільняти фотон контрольованим чином і передавати його з малими втратами одного атома до іншого є важливим етапом обробки інформації для квантових обчислень. Можна уявити використання цілих масивів керованих фотонів для виконання дуже складних обчислень набагато швидше, ніж при використанні сучасних комп'ютерів. Атоми, вбудовані в штучний кристал, також могли перескакувати з місця на інше. У цьому випадку вони самі стали носіями інформації в квантовому комп'ютері або могли б створити квантовий сенсор.

Вчені встановили, що атоми рубідії ідеально підходять для своїх цілей. Однак атоми барію, кальцію або цезію також можуть бути захоплені штучним лазерним кристалом, оскільки вони мають схожі рівні енергії. Щоб зробити запропонований метаматеріал у реальному експерименті, дослідницькій групі доведеться захопити кілька атомів у штучну кристалічну решітку та утримувати їх там навіть при збудженні до вищих енергетичних станів.

Віртуальна реальність без оптичних дефектів

Метаматеріали могли б знайти корисне застосування і в іншій галузі техніки, що розвивається. Віртуальна реальність має багато різних обмежень. Істотну роль відіграють відомі нам недосконалості оптики. Досконалу оптичну систему побудувати практично неможливо, бо завжди є звані аберації, тобто. спотворення хвиль, спричинені різними факторами. Нам відомі сферичні та хроматичні аберації, астигматизм, кома та багато інших несприятливих ефектів оптики. Той, хто використовував набори віртуальної реальності, напевно, мав справу з цими явищами. Неможливо спроектувати оптику для ВР, яка була б легкою, відтворювала якісне зображення, не мала б видимої веселки (хроматичних аберацій), давала б велике поле зору та була б дешевою. Це просто неможливо.

Саме тому виробники VR-обладнання – Oculus та HTC – використовують так звані Лінзи Френеля. Це дозволяє отримати значно меншу вагу, усунути хроматичні аберації та отримати відносно невисоку ціну (матеріал для таких лінз дешевий). На жаль, світлозаломлюючі кільця викликають w Лінзи Френеля значне падіння контрастності та створення відцентрового світіння, що особливо помітно там, де сцена має високу контрастність (чорне тло).

Проте нещодавно вченим із Гарвардського університету на чолі з Федеріко Капассо вдалося розробити тонка та плоска лінза з використанням метаматеріалів. Шар наноструктури на склі тонший за людське волосся (0,002 мм). Він не тільки не має типових недоліків, але й забезпечує набагато кращу якість зображення, ніж дорогі оптичні системи.

Лінза Капассо, на відміну від типових опуклих лінз, що викривляють і розсіюють світло, змінює властивості світлової хвилі за рахунок мікроскопічних структур, що виступають з поверхні, напилених на кварцове скло. Кожен такий виступ по-різному заломлює світло, змінюючи його напрямок. Тому важливо правильно розподілити таку наноструктуру (візерунок), яка спроектована на комп'ютері та зроблена з використанням методів, аналогічних комп'ютерним процесорам. Це означає, що цей тип лінз може проводитися на тих самих заводах, що й раніше, з використанням відомих технологічних процесів. Діоксид титану використається для напилення.

Варто згадати ще одне інноваційне рішення "метаоптики". гіперлінзи з метаматеріалу, зроблений в Американському університеті Буффало. Перші версії гіперлінз були зроблені зі срібла та діелектричного матеріалу, але працювали вони лише у дуже вузькому діапазоні довжин хвиль. Вчені Буффало використовували концентричне розташування золотих стрижнів у корпусі із термопластику. Він працює у діапазоні хвиль видимого світла. Дослідники ілюструють збільшення дозволу внаслідок використання нового рішення на прикладі медичного ендоскопа. Зазвичай він розпізнає об'єкти до 10 250 нанометрів, а після установки гіперлінз «опускається» до XNUMX нанометрів. У конструкції долається проблема дифракції, явища, що значно знижує роздільну здатність оптичних систем - замість хвильових спотворень вони перетворюються на хвилі, які можна реєструвати в наступних оптичних пристроях.

Згідно з публікацією в Nature Communications, цей метод може бути використаний у багатьох областях, від медицини до спостережень за окремими молекулами. Доречно дочекатись конкретних пристроїв на основі метаматеріалів. Можливо, вони дозволять віртуальній реальності нарешті досягти справжнього успіху. Що стосується «оптичних комп'ютерів», то це поки що досить далекі та туманні перспективи. Проте нічого не можна виключати.