Tilsløring gennembrud

Lige siden H. G. Wells udgav Den usynlige mand for mere end et århundrede siden har udsigten til usynlighed – eller tilsløring – været en grundpille i science fiction. Men nu siger fysikere, at de endelig har fundet ud af, hvordan man gør objekter usynlige, og hvad mere er, de er kun måneder væk fra at omsætte denne teori i praksis.

Blåt tilslørende metamateriale er i stand til at bøje lys rundt om et objekt (orange cirkel), hvilket sikrer, at det ikke kaster skygge eller refleksion. (Kredit: D. Schurig, Duke University.)

Tricket er at finde en måde at lede lys og andre typer elektromagnetisk stråling rundt om et objekt, så det ikke kaster skygge og ikke frembringer refleksion. Normalt ville denne form for manipulation være en stor opgave, siger John Pendry fra Imperial College London, England. Men, tilføjer han, den seneste udvikling af en ny klasse af materialer kaldet metamaterialer gør det fristende gennemførligt.

Metamaterialer er konstruerede materialer, hvis egenskaber er bestemt af deres fysiske struktur snarere end deres kemi, siger Pendry. Sådanne egenskaber omfatter evnen til at bøje lys, siger han.

Arbejder nu med David Smith og David Schurig fra Duke University, har Pendry formuleret en måde at designe metamaterialer på, der kan bøje lys rundt om et objekt, uanset hvilken retning lyset kommer fra. Du kan anvende det til enhver form, siger Smith. Det betyder, at alt i teorien kunne være tilsløret, siger han.

Bygger på Pendrys arbejde, som er beskrevet i det aktuelle nummer af Videnskab , Smith og Schurig er ved at udvikle en proof-of-principle enhed med finansiering fra det amerikanske forsvarsministeriums forskningsafdeling, Defence Advanced Research Projects Agency. Det er rimeligt at sige, at der i år vil være en demonstration af cloakingens grundlæggende fysik, siger Schurig.

Tilsløringseffekten afhænger af et materiales brydningsindeks eller dets evne til at påvirke retningen af ​​lyset, der passerer gennem det. Lys har en tendens til at foretrække den hurtigste rute mellem to punkter, som normalt er en lige linje. Med metamaterialer kan den hurtigste vej dog være en, der bøjer rundt om et objekt.

Men bøjningslys er blot et af kravene til tildækning. Du skal føre lyset tilbage til den samme vej, som det fulgte, før det ramte kappen; ellers kaster det en skygge, siger Pendry. På samme måde, når lys kommer ind i kappen, må det ikke reflekteres. En måde at tænke det på er, at dette materiale giver et udseende af at være som et rum, siger Smith, idet rummet kan bøje lys og heller ikke har nogen refleksion.

Det er et gennembrud, siger George Eleftheriades , en ekspert i metamaterialer ved University of Toronto. Men, siger han, er der en begrænsning: Det vil ikke fungere for hver frekvens.

Faktisk er nuværende materialer kun i stand til at omdirigere mikrobølger, hvilket betyder, at tilsløringsanordningen Smith og Schurig er ved at udvikle, kun vil virke mod radar eller andre mikrobølgeemittere. Selvom dette sandsynligvis vil vise sig nyttigt for fremtidige stealth-fly, er vi stadig mindst et årti væk fra at skjule objekter fra synligt lys.

Årsagen er, at for at frembringe tilsløringseffekten skal understrukturerne af metamaterialerne være mindre end bølgelængden af ​​lys, der omdirigeres. Det er i øjeblikket muligt for mikrobølger, som har en bølgelængde på omkring tre centimeter. Men at omdirigere synligt lys, som har en bølgelængde på omkring en halv mikrometer eller en halv milliontedel af en meter, ville kræve metamaterialer med strukturer konstrueret på molekylært niveau. Vi vil gerne gøre det på molekylær skala, men nanoteknologi er endnu ikke klar til det, siger Pendry. Den seneste udvikling inden for nano-metamaterialer kan dog fremskynde udviklingsprocessen.

For nu består prototypekappen af ​​arrays af millimeterstore kobberstænger og C-formede ringe indlejret i en kompositfiberplade, meget ligesom den slags printkort, der normalt huser computerchips. Både stængerne og C-ringene er i stand til passivt at skabe elektromagnetiske felter, når de udsættes for mikrobølgestråling. Når de er orienteret helt rigtigt, kan disse komponenter specificere den vej, som strålingen vil følge.

Der er også en anden applikation til tilsløring, siger Schurig: den kan bruges som en slags skjold. Nogle gange vil man gerne beskytte eller isolere ting fra det elektromagnetiske spektrum, siger han. For eksempel kunne tilsløring bruges på rumsonder for at beskytte følsomt udstyr mod kosmisk stråling.

Men der er en fangst. Selvom enhver tildækket genstand ville være usynlig, ville den også være blind inden for det tilslørede frekvensområde, da ethvert lys rettet mod det ville blive omdirigeret rundt om det. Hvis der er tale om et radar-kappet fly, burde det ikke være et større problem, siger Schurig. Piloten ville ikke være i stand til at bruge radar, men hun kunne stadig navigere visuelt.

skjule