Os "Tapóns de invisibilidade" aínda son invisibles

O último dunha serie de "mantos da invisibilidade" é o nacido na Universidade de Rochester (1), que utiliza o sistema óptico axeitado. Non obstante, os escépticos chámanlle algún tipo de truco ilusionista ou efecto especial, no que un intelixente sistema de lentes refracta a luz e engana a visión do observador.

Hai unhas matemáticas bastante avanzadas detrás de todo: os científicos necesitan usalas para atopar como configurar as dúas lentes para que a luz se refracte de tal xeito que poidan ocultar o obxecto directamente detrás delas. Esta solución funciona non só ao mirar directamente as lentes: un ángulo de 15 graos ou outro é suficiente.

1. "Tapón de invisibilidade" da Universidade de Rochester.

Pódese usar nos coches para eliminar os puntos cegos dos espellos ou nos quirófanos, permitindo aos cirurxiáns ver a través das súas mans. Esta é outra dunha longa serie de revelacións sobre tecnoloxía invisibleque nos chegaron nos últimos anos.

En 2012, xa escoitamos falar do "Cap of Invisibility" da American Duke University. Só os máis curiosos leron entón que se trataba da invisibilidade dun pequeno cilindro nun pequeno fragmento do espectro de microondas. Un ano antes, os funcionarios de Duke informaron sobre a tecnoloxía furtiva do sonar que pode parecer prometedora nalgúns círculos.

Por desgraza, foi invisibilidade só desde certo punto de vista e nun ámbito estreito, o que facía que a tecnoloxía fose pouco útil. En 2013, os incansables enxeñeiros de Duke propuxeron un dispositivo impreso en 3D que camuflaba un obxecto colocado no interior con micro-buracos na estrutura (2). Non obstante, de novo, isto ocorreu nun rango limitado de ondas e só desde un certo punto de vista.

As fotografías publicadas en Internet parecían prometedoras da empresa canadense Hyperstealth, que en 2012 foi anunciada baixo o intrigante nome de Quantum Stealth (3). Por desgraza, nunca se demostraron prototipos que funcionan, nin se explicou como funciona. A compañía cita problemas de seguridade como o motivo e informa crípticamente que está a preparar versións secretas do produto para os militares.

Monitor frontal, cámara traseira

Primeiro modernotapa de invisibilidade» Presentado hai dez anos polo enxeñeiro xaponés Prof. Susumu Tachi da Universidade de Tokio. Utilizou unha cámara situada detrás dun home que levaba un abrigo que tamén era monitor. Sobre ela proxectouse a imaxe da cámara traseira. O home da capa era "invisible". Un truco similar é usado polo dispositivo de camuflaxe de vehículos Adaptiv introducido na década anterior por BAE Systems (4).

Mostra unha imaxe infravermella "desde atrás" na armadura do tanque. Tal máquina simplemente non se ve nos dispositivos de observación. A idea de enmascarar obxectos tomou forma en 2006. John Pendry, do Imperial College de Londres, David Schurig e David Smith, da Universidade de Duke, publicaron a teoría da "óptica de transformación" na revista Science e presentaron como funciona no caso das microondas (longitudes de onda máis longas que a luz visible).

2. Unha "gorra de invisibilidade" impresa en tres dimensións.

Coa axuda de metamateriais axeitados, unha onda electromagnética pódese dobrar de forma que se salte o obxecto circundante e regrese ao seu camiño actual. O parámetro que caracteriza a reacción óptica xeral do medio é o índice de refracción, que determina cantas veces máis lenta que no baleiro se move a luz neste medio. Calculámolo como a raíz do produto da permeabilidade eléctrica e magnética relativa.

permeabilidade eléctrica relativa; determina cantas veces é menor a forza de interacción eléctrica nunha determinada substancia que a forza de interacción no baleiro. Polo tanto, é unha medida da forza que as cargas eléctricas dentro dunha substancia responden a un campo eléctrico externo. A maioría das substancias teñen unha permitividade positiva, o que significa que o campo modificado pola substancia aínda ten o mesmo significado que o campo externo.

A permeabilidade magnética relativa m determina como cambia o campo magnético nun espazo cheo dun material determinado, en comparación co campo magnético que existiría no baleiro coa mesma fonte de campo magnético externo. Para todas as substancias naturais, a permeabilidade magnética relativa é positiva. Para medios transparentes como o vidro ou a auga, as tres cantidades son positivas.

A continuación, a luz, que pasa do baleiro ou do aire (os parámetros do aire son só lixeiramente diferentes do baleiro) ao medio, refractase segundo a lei da refracción e a relación entre o seno do ángulo de incidencia e o seno do ángulo de refracción é igual ao índice de refracción deste medio. O valor é menor que cero; e m significa que os electróns no interior do medio móvense en sentido contrario á forza creada polo campo eléctrico ou magnético.

Isto é exactamente o que ocorre nos metais, nos que o gas de electróns libres sofre as súas propias oscilacións. Se a frecuencia dunha onda electromagnética non supera a frecuencia destas oscilacións naturais dos electróns, entón estas oscilacións protexen o campo eléctrico da onda de forma tan eficaz que non permiten que penetre profundamente no metal e mesmo crean un campo dirixido en sentido contrario. ao campo externo.

Como resultado, a permitividade deste material é negativa. Incapaz de penetrar profundamente no metal, a radiación electromagnética reflíctese desde a superficie do metal e o propio metal adquire un brillo característico. E se os dous tipos de permitividades fosen negativos? Esta pregunta foi feita en 1967 polo físico ruso Viktor Veselago. Resulta que o índice de refracción deste medio é negativo e a luz refracta dun xeito completamente diferente ao que segue a lei habitual de refracción.

5. Refracción negativa na superficie dun metamaterial - visualización

Entón a enerxía da onda electromagnética transfírese cara adiante, pero os máximos da onda electromagnética móvense na dirección oposta á forma do impulso e á enerxía transferida. Tales materiais non existen na natureza (non hai substancias con permeabilidade magnética negativa). Só na publicación de 2006 mencionada anteriormente e noutras moitas publicacións creadas en anos posteriores, foi posible describir e, polo tanto, construír estruturas artificiais cun índice de refracción negativo (5).

Chámanse metamateriais. O prefixo grego "meta" significa "despois", é dicir, son estruturas feitas con materiais naturais. Os metamateriais adquiren as propiedades que necesitan construíndo pequenos circuítos eléctricos que imitan as propiedades magnéticas ou eléctricas do material. Moitos metais teñen unha permeabilidade eléctrica negativa, polo que abonda con deixar espazo para elementos que dean unha resposta magnética negativa.

En lugar dun metal homoxéneo, unha gran cantidade de fíos metálicos finos dispostos en forma de reixa cúbica están unidos a unha placa de material illante. Ao cambiar o diámetro dos fíos e a distancia entre eles, é posible axustar os valores de frecuencia aos que a estrutura terá unha permeabilidade eléctrica negativa. Para obter a permeabilidade magnética negativa no caso máis sinxelo, o deseño consta de dous aneis rotos feitos dun bo condutor (por exemplo, ouro, prata ou cobre) e separados por unha capa doutro material.

Tal sistema chámase resonador de anel dividido, abreviado como SRR, do inglés. Resonador de anel dividido (6). Debido aos ocos dos aneis e á distancia entre eles, ten unha certa capacitancia, como un capacitor, e dado que os aneis están feitos de material condutor, tamén ten unha certa inductancia, é dicir. capacidade de xerar correntes.

Os cambios no campo magnético externo da onda electromagnética fan que unha corrente fluya polos aneis, e esta corrente crea un campo magnético. Resulta que cun deseño axeitado, o campo magnético creado polo sistema diríxese oposto ao campo externo. Isto resulta nunha permeabilidade magnética negativa dun material que contén tales elementos. Ao establecer os parámetros do sistema metamaterial, pódese obter unha resposta magnética negativa nun rango bastante amplo de frecuencias de onda.

meta - edificio

O soño dos deseñadores é construír un sistema no que as ondas fluían idealmente arredor do obxecto (7). En 2008, os científicos da Universidade de California, Berkeley, crearon por primeira vez na historia materiais tridimensionais que teñen un índice de refracción negativo para a luz visible e infravermella próxima, inclinando a luz nunha dirección oposta á súa dirección natural. Crearon un novo metamaterial combinando prata con fluoruro de magnesio.

Despois córtase nunha matriz formada por agullas en miniatura. O fenómeno da refracción negativa observouse a lonxitudes de onda de 1500 nm (infravermello próximo). A principios de 2010, Tolga Ergin do Instituto de Tecnoloxía de Karlsruhe e os seus colegas do Imperial College de Londres crearon invisible cortina de luz. Os investigadores utilizaron materiais dispoñibles no mercado.

Usaron cristais fotónicos colocados sobre unha superficie para cubrir unha protuberancia microscópica nunha placa de ouro. Así que o metamaterial foi creado a partir de lentes especiais. As lentes opostas á joroba da placa están situadas de tal xeito que, ao desviar parte das ondas luminosas, eliminan a dispersión da luz sobre a protuberancia. Ao observar a placa ao microscopio, utilizando luz cunha lonxitude de onda próxima á da luz visible, os científicos viron unha placa plana.

Máis tarde, investigadores da Universidade de Duke e do Imperial College de Londres puideron obter un reflexo negativo da radiación de microondas. Para obter este efecto, os elementos individuais da estrutura do metamaterial deben ser inferiores á lonxitude de onda da luz. Polo tanto, é un reto técnico que require a produción de estruturas metamateriais moi pequenas que coincidan coa lonxitude de onda da luz que se supón que deben refractar.

A luz visible (violeta a vermella) ten unha lonxitude de onda de 380 a 780 nanómetros (un nanómetro é a milmillonésima parte dun metro). Nanotecnólogos da Universidade escocesa de St. Andrews acudiron ao rescate. Obtiveron unha única capa de metamaterial de malla extremadamente densa. As páxinas do New Journal of Physics describen un metaflex capaz de curvar lonxitudes de onda duns 620 nanómetros (luz vermella-laranxa).

En 2012, un grupo de investigadores estadounidenses da Universidade de Texas en Austin inventou un truco completamente diferente usando microondas. Un cilindro cun diámetro de 18 cm recubriuse cun material de plasma de impedancia negativa, o que permite a manipulación das propiedades. Se ten exactamente as propiedades ópticas opostas do obxecto oculto, crea unha especie de "negativo".

Así, as dúas ondas se solapan e o obxecto faise invisible. Como resultado, o material pode dobrar varios rangos de frecuencia diferentes da onda para que flúen ao redor do obxecto, converxendo no outro lado do mesmo, o que pode non ser perceptible para un observador externo. Os conceptos teóricos vanse multiplicando.

Hai preto dunha ducia de meses, Advanced Optical Materials publicou un artigo sobre un estudo posiblemente innovador realizado por científicos da Universidade de Florida Central. Quen sabe se non lograron superar as restricións existentes sobre"sombreiros invisibles» Construído a partir de metamateriais. Segundo a información que publicaron, é posible a desaparición do obxecto no rango de luz visible.

7. Formas teóricas de curvar a luz sobre un obxecto invisible

Debashis Chanda e o seu equipo describen o uso dun metamaterial cunha estrutura tridimensional. Foi posible conseguilo grazas ao chamado. impresión de nanotransferencia (NTP), que produce cintas metal-dieléctricas. O índice de refracción pódese modificar mediante métodos de nanoenxeñería. O camiño de propagación da luz debe controlarse na estrutura da superficie tridimensional do material mediante o método de resonancia electromagnética.

Os científicos son moi cautelosos nas súas conclusións, pero pola descrición da súa tecnoloxía está bastante claro que os revestimentos deste tipo de material son capaces de desviar as ondas electromagnéticas en gran medida. Ademais, a forma de obter o novo material permite a produción de grandes superficies, o que levou a algúns a soñar con loitadores cubertos de tal camuflaxe que lles proporcionaría invisibilidade completo, dende o radar ata a luz do día.

Os dispositivos de ocultación que utilizan metamateriais ou técnicas ópticas non provocan a desaparición real dos obxectos, senón só a súa invisibilidade ante as ferramentas de detección, e pronto, quizais, á vista. Porén, xa hai ideas máis radicais. Jeng Yi Lee e Ray-Kuang Lee da Universidade Nacional Tsing Hua de Taiwán propuxeron un concepto teórico dunha "capa de invisibilidade" cuántica capaz de eliminar obxectos non só do campo de visión, senón tamén da realidade no seu conxunto.

Isto funcionará de xeito similar ao comentado anteriormente, pero empregarase a ecuación de Schrödinger en lugar das ecuacións de Maxwell. O punto é estirar o campo de probabilidade do obxecto para que sexa igual a cero. Teoricamente, isto é posible a microescala. Non obstante, levará moito tempo esperar ás posibilidades tecnolóxicas de fabricar tal funda. Como calquera"tapa de invisibilidade"O que se pode dicir que realmente ocultaba algo da nosa vista.