211service.com
Bringer usynlighedskapper tættere på
Som et vigtigt skridt mod udviklingen af praktiske usynlighedskapsler har forskere konstrueret to nye materialer, der bøjer lys på helt nye måder. Disse materialer er de første, der arbejder i det optiske bånd af spektret, som omfatter synligt og infrarødt lys; eksisterende tildækningsmaterialer fungerer kun med mikrobølger. Sådanne kapper, længe afbildet i science fiction, ville gøre det muligt for objekter, fra krigsfly til mennesker, at gemme sig i almindeligt syn.
Usynligt net: Et nyt materiale, der kan bøje nær-infrarødt lys på en unik måde, har en fiskenetstruktur. Disse billeder af et prisme lavet af materialet blev taget med et scanningselektronmikroskop. Hullerne i nettet gør det muligt for materialet at interagere med lysets magnetiske komponent, hvilket muliggør den usædvanlige bøjning og demonstrerer dets løfte om brug i fremtidige usynlighedskapper. I indsatsen er lagene af metal og isoleringsmateriale, der udgør metamaterialet, synlige.
Begge materialer, beskrevet separat i journalerne Videnskab og Natur i denne uge udviser en egenskab kaldet negativ brydning, som intet naturligt materiale besidder. Når lyset passerer gennem materialerne, bøjes det bagud. Et materiale arbejder med synligt lys; den anden er blevet demonstreret med nær-infrarødt lys.
Materialerne, skabt i laboratoriet ved University of California, Berkeley, ingeniør Xiang Zhang , kunne vise vejen mod usynlighedskapper, der beskytter genstande mod synligt lys. Men Steven Cummer , en ingeniør fra Duke University involveret i udviklingen af mikrobølgekappen, advarer om, at der er lang vej igen, før de nye materialer kan bruges til tilsløring. Tildækningsmaterialer skal lede lyset på en meget præcis styret måde, så det flyder rundt om en genstand og omdannes på den anden side uden forvrængning. Berkeley-materialerne kan bøje lys på den grundlæggende måde, der er nødvendig for tilsløring, men de vil kræve yderligere ingeniørarbejde for at manipulere lyset, så det er omhyggeligt rettet.
Et af de nye Berkeley-materialer består af vekslende lag af metal og et isolerende materiale, som begge er udstanset med et gitter af firkantede huller. Den samlede tykkelse af enheden er omkring 800 nanometer; hullerne er endnu mindre. Disse stablede lag danner elektriske strømløkker, der reagerer på lysets magnetiske felt, hvilket muliggør dets unikke bøjningsegenskaber, siger Jason Valentine , en kandidatstuderende i Zhangs laboratorium. Naturligt forekommende materialer interagerer derimod ikke med den magnetiske komponent af elektromagnetiske bølger. Ved at ændre størrelsen på hullerne kan forskerne indstille materialet til forskellige lysfrekvenser. Indtil videre har de demonstreret negativ brydning af nær-infrarødt lys ved hjælp af et prisme lavet af materialet.
Forskere har forsøgt at skabe sådanne materialer i næsten 10 år, lige siden det gik op for dem, at negativ brydning faktisk kunne være mulig. Andre forskere har kun været i stand til at lave enkelte lag, der er for tynde - og alt for ineffektive - til enhedsapplikationer. Berkeley-materialet er omkring 10 gange tykkere end tidligere designs, hvilket hjælper med at øge hvor meget lys det transmitterer og samtidig gør det robust nok til at være grundlaget for rigtige enheder. Dette nærmer sig faktiske nanoskala-enheder, siger Cummer om Berkeley-prismet.
Det andet materiale består af sølv nanotråde indlejret i aluminium. Nanotrådsmediet fungerer som optiske fiberbundter, så i princippet er det ganske anderledes, siger Nicholas Fang , professor i mekanisk videnskab og ingeniør ved University of Illinois i Urbana-Champagne, som ikke var involveret i forskningen. Den lagdelte gitterstruktur bøjer ikke kun lys i negativ retning; det får den også til at rejse baglæns. Lys, der transmitteres gennem nanotrådstrukturen, bøjer også i negativ retning, men uden at rejse baglæns. Fordi arbejdet stadig er i de tidlige stadier, er det uklart, hvilket optisk metamateriale der vil fungere bedst, og til hvilke applikationer. Måske vil fremtidige løsninger blande disse to tilgange, siger Fang.
At lave en usynlighedskappe vil udgøre store tekniske udfordringer. For det første bliver forskerne nødt til at opskalere materialet selv for at skjule en lille genstand: eksisterende mikrobølgetilsløringsanordninger og teoretiske designs til optiske kapper skal være mange lag tykke for at lede lys rundt om objekter uden forvrængning. At lave materialer til mikrobølgetilsløring var nemmere, fordi disse bølgelængder kan styres af relativt store strukturelle funktioner. For at lede synligt lys rundt om et objekt vil det kræve et materiale, hvis struktur styres på nanoskala, som dem, der er fremstillet i Berkeley.
Det kan tage noget tid at udvikle tilsløringsenheder. På kort sigt vil Berkeley-materialerne sandsynligvis være nyttige i telekommunikation og mikroskopi. Bølgeledere i nanoskala og andre enheder fremstillet af materialerne kan overvinde en af de største udfordringer ved at nedskalere optisk kommunikation til chipniveau: at tillade fin kontrol af parallelle strømme af informationsrigt lys på den samme chip, så de ikke forstyrrer hinanden. Og de nye materialer kunne også med tiden udvikles til linser til lysmikroskoper. Såkaldte superlinser til at omgå fundamentale opløsningsbegrænsninger på lysmikroskoper er blevet udviklet af Fang og andre, og afslører virkemåden af biologiske molekyler med opløsning på nanoskala ved hjælp af ultraviolet lys, som er skadeligt for levende celler i store doser. Men det har ikke været muligt at lave superlinser, der virker i de informationsrige og cellevenlige synlige og nær-infrarøde dele af spektret.