211service.com
Usynlighed gjort lettere
I det seneste år har medierne bugnet af snak om en eksotisk klasse af materialer, kaldet metamaterialer, der kunne bruges til at lave flade og forvrængningsfrie linser, kraftige mikroskoper og endda tilsløringsanordninger, der gør objekter usynlige. Men versioner af materialerne egnet til praktiske anvendelser har været svære at lave. Nu har forskere ved Princeton University demonstreret metamaterialer, der både er mere effektive og meget nemmere at fremstille, hvilket måske bringer disse applikationer tættere på virkeligheden.
Bøjelys: En ny type materiale får lysbølger (repræsenteret ved ovaler) til at bevæge sig på en måde, der er helt anderledes end den måde, de bevæger sig i almindelige materialer.
Det er et ganske vigtigt skridt, siger Igor Smolyaninov , en forsker ved University of Maryland, der arbejder med metamaterialer. Det er meget billigere end noget andet, folk laver.
Lys, der passerer fra et almindeligt materiale til et andet, bøjer sig lidt - tænk på, hvordan en lige pind i vand ser bøjet ud - men lys, der passerer ind i et metamateriale, bøjer sig i den modsatte retning. Metamaterialer har således det, der kaldes et negativt brydningsindeks. En linse lavet af et sådant materiale behøver ikke at være buet. (Det er krumningen af en almindelig linse, der gør den i stand til at fokusere indkommende lys.) Metamaterialer kan også bruges til at dirigere elektromagnetiske bølger rundt om et objekt, hvilket gør det usynligt. Allerede nu har forskere demonstreret en tilsløringsanordning, der gør genstande usynlige for mikrobølger, og andre har skabt materialer, der negativt bryder elektromagnetiske bølger i den synlige del af det elektromagnetiske spektrum. Men indtil nu har metamaterialer skullet mønstres med indviklede former, der er mindre end bølgelængden af lys, de er beregnet til at manipulere. Derfor har materialer, der arbejder med lys af mikroskopiske bølgelængder, såsom infrarødt og synligt lys, været vanskelige at fremstille. På grund af den måde, de producerer negativ brydning, har eksisterende metamaterialer også haft en stærk tendens til at absorbere lys, hvilket gør dem upraktiske til brug i optik.
Materialerne udviklet hos Princeton bevarer egenskaben negativ brydning, men alligevel er de meget nemmere at lave. I stedet for at kræve indviklede strukturer, såsom de opdelte ringe, der bruges i mikrobølgetildækningsanordningen, kan materialerne fremstilles blot ved at stable ekstremt tynde lag af halvledermateriale op. Hvad mere er, at stabling kan udføres med de samme værktøjer, der nu bruges til at fremstille halvledermaterialer til lasere, der bruges i telekommunikation, siger Claire Gmachl , Princeton-forskeren, der ledede arbejdet. De nye materialer består af skiftende lag af indiumgalliumarsenid og aluminiumindiumarsenid, og de er indstillet til at arbejde i det infrarøde område af spektret.
Ligesom andre metamaterialer påvirker de nye materialer lyset anderledes end almindelige materialer, fordi de er lavet af strukturer, der er væsentligt mindre end bølgelængden af det lys, der passerer gennem dem. I dette tilfælde er det dog lagene af halvledere selv, der er tyndere end lysets bølgelængde. Som følge heraf møder en bølge, der passerer gennem materialet, flere lag på én gang, og reagerer på dem, som om de var et enkelt materiale med egenskaber, der er helt ulig dem, der er for hver halvleder i isolation.
Det, der gør de nye materialer anderledes end tidligere metamaterialer, er, at i stedet for at ændre to aspekter af lysets bevægelser, ændrer de kun én. Hvis lys opfattes som en bølge, er bølgefronten vinkelret på den retning, lyset bevæger sig. Forestil dig en havbølge, der styrter i land: den bevæger sig kun i én retning, men bølgefronten er en enorm vandmur. Tidligere metamaterialer ændrede retningen af lysstråler, der passerede gennem dem, og bølgefronten forblev vinkelret på strålens retning. I de nye materialer ændrer lysstrålen retning, men det gør bølgefronterne ikke, hvilket giver indtryk af, at de glider til siden i stedet for at bevæge sig fremad. (Se billedet nedenfor.)
Når en lysstråle bevæger sig gennem et almindeligt materiale, bevæger den sig i samme retning, som lysbølgerne vender (øverste del af billedet). Når en lysstråle kommer ind i en ny type metamateriale, ændrer den retning, men bølgerne vender stadig den samme vej og ser ud til at glide sidelæns (se nederste halvdel af billedet). Dette billede er fra en computersimulering.
Kredit: Anthony Hoffman, Princeton University
Den overordnede effekt på lysstrålens retning er den samme som i det tidligere metamateriale, men de nye materialer er nemmere at skabe, og de absorberer langt mindre lys, hvilket gør dem mere attraktive til brug i optik.
Den første applikation, som Princeton-forskerne udvikler, er en flad linse til kemiske sensorer, en applikation, hvor materialer, der arbejder med infrarødt lys, er særligt velegnede. Gmachl siger, at de nuværende optiske opsætninger for sådanne enheder er omfangsrige, fordi de bruger konventionelle linser. Den første applikation ville være at bruge det materiale til at miniaturisere optiske opsætninger ved at erstatte buede linser med flade, siger hun.
En anden tidlig anvendelse kunne være i natsynsenheder, som også fungerer med infrarøde bølgelængder. For folk, der ønsker at forbedre nattesynsenheder, kunne dette være ret interessant, siger Smolyaninov.