"Шапки-невидимки", як і раніше, не видно

Останньою в серії «шапок-невидимок» є та, що народилася в Університеті Рочестера (1), де використовується відповідна оптична система. Проте скептики називають це якимось ілюзіоністським трюком чи спецефектом, у якому розумна система лінз заломлює світло і дурить зір спостерігача.

За всім стоїть досить просунута математика — вчені з її допомогою повинні знайти таке настроювання двох лінз, щоб світло переломлювалося таким чином, щоб можна було приховати об'єкт прямо за ними. Це рішення працює не тільки при прямому погляді на лінзи - достатньо кута 15 градусів або іншого.

1. "Шапка-невидимка" від Університету Рочестера.

Його можна використовувати в автомобілях для усунення сліпих зон у дзеркалах або в операційних, дозволяючи хірургам бачити крізь руки. Це ще одне з довгої серії одкровень про невидима технологіяякі прийшли до нас останніми роками.

У 2012 році ми вже чули про Шапку-невидимку від американського Університету Дьюка. Тільки найцікавіші читали тоді, що йшлося про невидимість маленького циліндра в крихітному фрагменті мікрохвильового спектру. Роком раніше офіційні особи Duke повідомили про технологію невидимості для сонара, яка в деяких колах може здатися перспективною.

На жаль, йшлося про невидимість тільки з певної точки зору та у вузькому обсязі, що робило технологію малопридатною. У 2013 році невтомні інженери з Дьюка запропонували надрукований на 3D-принтері пристрій, який маскувало вміщений всередину об'єкт мікроотворами в конструкції (2). Однак знову ж таки, це відбувалося в обмеженому діапазоні хвиль і лише з певної точки зору.

На опублікованих в Інтернеті фотографіях багатообіцяюче виглядала накидка канадської компанії Hyperstealth, яка у 2012 році рекламувалася під інтригуючою назвою Quantum Stealth (3). На жаль, робочі зразки так і не були продемонстровані, і не було пояснено, як це працює. Як причина компанія називає питання безпеки та загадково повідомляє про підготовку секретних версій продукту для військових.

Передній монітор, задня камера

Перший сучаснийкепка-невидимка» Представлений десять років тому японським інженером проф. Сусуму Тачі із Токійського університету. Він використав камеру, розташовану за спиною людини, одягненого в пальто, яке також було монітором. На нього проектувалося зображення із задньої камери. Людина в плащі була «невидимою». Подібний трюк використовує пристрій Adaptiv для маскування бойових машин, представлений у попередньому десятилітті компанією BAE Systems (4).

Він виводить інфрачервоне зображення "ззаду" на броню танка. Таку машину просто не побачити у прицільних приладах. Ідея маскування об'єктів оформилася у 2006 році. Джон Пендрі з Імперського коледжу Лондона, Девід Шуріг та Девід Сміт з Університету Дьюка опублікували в журналі Science теорію «трансформаційної оптики» і представили, як вона працює у випадку мікрохвиль (довші хвилі), ніж видиме світло).

2. «Шапка-невидимка», надрукована у трьох вимірах.

За допомогою відповідних метаматеріалів електромагнітну хвилю можна викривити таким чином, щоб обійти навколишній об'єкт і повернутися на свій шлях. Параметром, що характеризує загальну оптичну реакцію середовища, є показник заломлення, що визначає, у скільки разів повільніше, ніж у вакуумі, світло рухається в даному середовищі. Ми обчислюємо його як корінь твору відносної електричної та магнітної проникності.

відносна електрична проникність; визначає, у скільки разів сила електричної взаємодії в даній речовині менша від сили взаємодії у вакуумі. Отже, це міра того, як сильно електричні заряди всередині речовини реагують на зовнішнє електричне поле. Більшість речовин мають позитивне значення діелектричної проникності, що означає, що поле, змінене речовиною, як і раніше, має той же сенс, що і зовнішнє поле.

Відносна магнітна проникність m визначає, як змінюється магнітне поле у ​​просторі, заповненому даним матеріалом, у порівнянні з магнітним полем, яке існувало б у вакуумі при тому ж зовнішньому джерелі магнітного поля. Для всіх речовин, що зустрічаються в природі, відносна магнітна проникність позитивна. Для прозорих середовищ, таких як скло або вода всі три величини позитивні.

Тоді світло, переходячи з вакууму або повітря (параметри повітря лише трохи відрізняються від вакууму) в середу, переломлюється за законом заломлення і відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення одно дорівнює показнику заломлення для даного середовища. Значення менше за нуль; а m означає, що електрони всередині середовища рухаються у напрямку, протилежному силі, створюваної електричним або магнітним полем.

Саме це і відбувається у металах, у яких вільний електронний газ піддається власним коливанням. Якщо частота електромагнітної хвилі не перевищує частоти цих власних коливань електронів, то ці коливання настільки ефективно екранують електричне поле хвилі, що не дозволяють проникнути вглиб металу і навіть створити поле, спрямоване протилежно зовнішнє поле.

В результаті діелектрична проникність такого матеріалу є негативною. Не маючи можливості проникнути вглиб металу, електромагнітне випромінювання відбивається від поверхні металу, а сам метал набуває характерного блиску. Що, якби обидва типи діелектричної проникності були негативними? Таке питання поставив 1967 року російський фізик Віктор Веселаго. Виявляється, показник заломлення такого середовища негативний і світло заломлюється зовсім інакше, ніж це випливає із звичайного закону заломлення.

5. Негативне заломлення на поверхні метаматеріалу – візуалізація

Тоді енергія електромагнітної хвилі передається вперед, але максимуми електромагнітної хвилі рухаються в напрямку, протилежному формі імпульсу і енергії, що переноситься. Таких матеріалів у природі не існує (немає речовин із негативною магнітною проникністю). Лише у згаданій вище публікації 2006 р. та у багатьох інших публікаціях, створених у наступні роки, вдалося описати і, отже, збудувати штучні споруди з негативним показником заломлення (5).

Їх назвали метаматеріалами. Грецька приставка "мета" означає "після", тобто це конструкції із природних матеріалів. Метаматеріали набувають необхідних їм властивостей шляхом побудови крихітних електричних ланцюгів, що імітують магнітні або електричні властивості матеріалу. Багато металів мають негативну електричну проникність, тому достатньо залишити місце для елементів, що дають негативний магнітний відгук.

Замість однорідного металу на пластину з ізоляційного матеріалу кріпиться безліч тонких металевих дротів, що розташовані у вигляді кубічної сітки. Змінюючи діаметр проводів та відстань між ними, можна регулювати значення частоти, при яких конструкція матиме негативну електричну проникність. Для отримання негативної магнітної проникності в найпростішому випадку конструкція складається з двох розірваних кілець, виготовлених із гарного провідника (наприклад, золота, срібла або міді) та розділених шаром іншого матеріалу.

Така система називається резонатором з розрізним кільцем — скорочено SRR, від англ. Split-ring резонатор (6). Через зазорів у кільцях та відстані між ними він має певну ємність, як конденсатор, а оскільки кільця зроблені з провідного матеріалу, він також має певну індуктивність, тобто. здатність генерувати струми.

Зміни зовнішнього магнітного поля від електромагнітної хвилі викликають перебіг струму в кільцях, і цей струм створює магнітне поле. Виходить, що з відповідної конструкції магнітне поле, створюване системою, спрямоване протилежно зовнішньому полю. Це призводить до негативної магнітної проникності матеріалу, що містить такі елементи. Задаючи параметри метаматеріальної системи, можна отримати негативний магнітний відгук досить широкому діапазоні частот хвиль.

Мета – будівля

Мрія конструкторів – побудувати систему, де хвилі ідеально обтікали б об'єкт (7). У 2008 році вчені Каліфорнійського університету в Берклі вперше в історії створили тривимірні матеріали, що володіють негативним показником заломлення для видимого та ближнього інфрачервоного світла, що згинають світло у напрямку, протилежному до його природного напрямку. Вони створили новий метаматеріал, об'єднавши срібло із фторидом магнію.

Потім розрізають його на матрицю, що складається із мініатюрних голок. Явище негативного заломлення відмічено на довжинах хвиль 1500 нм (ближній інфрачервоний діапазон). На початку 2010 року Толга Ергін з Технологічного інституту Карлсруе та його колеги з Імперського коледжу Лондона створили невидимий завісу для ближнього світла. Дослідники використали матеріали, доступні на ринку.

Вони використовували фотонні кристали, покладені поверхню, щоб покрити мікроскопічний виступ на золотий пластині. Так було створено метаматеріал із спеціальних лінз. Лінзи навпроти горба на пластині розташовані таким чином, що відхиляючи частину світлових хвиль, вони усувають розсіювання світла на опуклості. Спостерігаючи пластину під мікроскопом, використовуючи світло з довжиною хвилі, наближеною до довжини хвилі видимого світла, вчені побачили плоску пластину.

Пізніше дослідникам з Університету Дьюка та Імперського коледжу Лондона вдалося отримати негативне відображення мікрохвильового випромінювання. Для отримання цього ефекту окремі елементи структури метаматеріалу повинні бути меншими за довжину хвилі світла. Так що це технічно складне завдання, яке потребує виробництва дуже маленьких структур з метаматеріалу, що відповідають довжині хвилі світла, яку вони мають заломлювати.

Видимий світло (від фіолетового до червоного) має довжину хвилі від 380 до 780 нанометрів (нанометр дорівнює одній мільярдній частині метра). На допомогу прийшли фахівці з нанотехнологій із шотландського університету Сент-Ендрюс. Вони отримали один шар метаматеріалу із надзвичайно щільною сіткою. На сторінках журналу New Journal of Physics описаний метафлекс, здатний викривляти довжини хвиль близько 620 нанометрів (оранжево-червоне світло).

У 2012 році група американських дослідників з Техаського університету в Остіні представила зовсім інший трюк із використанням мікрохвиль. Циліндр діаметром 18 см був покритий плазмовим матеріалом із негативним імпедансом, що дозволяє маніпулювати властивостями. Якщо він має прямо протилежні оптичні властивості прихованого об'єкта, він створює свого роду негатив.

Таким чином, дві хвилі перекриваються і об'єкт стає невидимим. В результаті матеріал може викривляти кілька різних частотних діапазонів хвилі, так що вони обтікають об'єкт, сходячи з іншого боку, що може здаватися непомітним сторонньому спостерігачеві. Теоретичні концепції множаться.

Близько дюжини місяців тому в Advanced Optical Materials з'явилася стаття про можливе революційне дослідження вчених з Університету Центральної Флориди. Хто знає, чи не вдалося їм подолати існуючі обмеженняшапки-невидимки»Побудований із метаматеріалів. Згідно з опублікованою ними інформацією, можливе зникнення об'єкта в діапазоні видимого світла.

7. Теоретичні методи викривлення світла на невидимому об'єкті

Дебашис Чанда та його команда описують використання метаматеріалу із тривимірною структурою. Отримати його вдалося завдяки т.зв. нанотрансферний друк (НТП), що випускає металодіелектричні стрічки. Показник заломлення можна змінити методами наноінженерії. Шлях поширення світла має контролюватись у тривимірній структурі поверхні матеріалу з використанням методу електромагнітного резонансу.

Вчені дуже обережні у висновках, але з опису їхньої технології цілком ясно, що покриття з такого матеріалу здатні значною мірою відхиляти електромагнітні хвилі. Крім того, спосіб отримання нового матеріалу дозволяє виробляти великі площі, що змушувало деяких уже мріяти про винищувачів, покритих таким камуфляжем, який би їм забезпечував. невидимість повний, від радар до денного світла.

Пристрої маскування із застосуванням метаматеріалів чи оптичних прийомів викликають не фактичне зникнення об'єктів, лише їх невидимість для засобів виявлення, а невдовзі, можливо, й у ока. Проте є вже й радикальніші ідеї. Дженг Йі Лі та Рей-Куанг Лі з Тайванського національного університету Цін Хуа запропонували теоретичну концепцію квантової «шапки-невидимки», здатної прибирати об'єкти не лише з поля зору, а й з реальності загалом.

Це буде працювати аналогічно тому, що обговорювалося вище, але замість рівнянь Максвелла використовуватиметься рівняння Шредінгера. Суть у тому, щоб розтягнути поле ймовірності об'єкта так, щоб воно дорівнювало нулю. Теоретично це можливо у мікромасштабі. Проте технологічних можливостей виготовлення такої кришки чекати доведеться довго. Аналогічно будь-комукепка-невидимка«Про що можна сказати, що вона дійсно щось приховувала від нашого погляду.