Два типа нанотехнологий, металинзы и метаматериалы, могут вскоре сделать плащ-невидимку Гарри Поттера реальностью.
Ключевые выводы
- Долгое время являвшаяся одним из основных элементов научной фантастики и фэнтези, способность становиться невидимой стала бы революционным технологическим достижением.
- Изгибая свет всех длин волн вокруг объекта, независимо от его формы, как металинзы, так и метаматериалы позволяют эффективно «маскировать» любой объект.
- Недавние исследования показали, что объединение двух нанотехнологических устройств может фактически проложить путь к первому работающему универсальному плащу-невидимке.
С тех пор, как люди писали о фэнтези, мифах и научной фантастике, мечта о невидимости всегда была главным приоритетом. В то время как «Звездный путь» привнес в массовое сознание идею маскирующего устройства, а «Гарри Поттер» принес с собой широко распространенную идею настоящего плаща-невидимки, не так много полезных применений технологий, основанных на невидимости, в больших масштабах. На самом деле, ближе всего мы подошли к достижению настоящей невидимости благодаря разработке технологии невидимости, которая обеспечивает эффективную невидимость только на гораздо более длинных волнах, чем может воспринимать человеческий глаз.
Невидимость для радара, то есть электромагнитного излучения, переходящего от микроволнового к радиоволнам, могла быть первым шагом, но недавние разработки в области метаматериалов расширили это еще больше, преломляя свет вокруг объекта и визуализируя его. действительно незаметен. Возможно, решающее достижение, которое наконец-то могло воплотить в жизнь плащ-невидимку, произошло в 2018 году в новом материале, называемом широкополосной ахроматической металинзой. Впервые он сделал объект незаметным во всем спектре видимого света. Слияние этой технологии с маскировкой метаматериалами - еще одним недавним достижением в области нанотехнологий - может, наконец, создать первое устройство маскировки видимого света. Вот история.
Возможность направлять свет вокруг объекта и показывать фон, падающий свет с любого угла и расстояния может стать реальной благодаря комбинированным достижениям в области метаматериалов, нанолинз и трансформирующей оптики.
В нормальных условиях, когда вы бомбардируете любой материал светом любой длины волны, типичным поведением является либо поглощение, либо отражение. Если свет поглощается, то любой фоновый свет и сигналы будут затемнены, предупреждая вас о его присутствии. Другими словами, объект не будет прозрачным.
Если свет отражается, любой сигнал, который вы отправляете, будет отражен обратно к вам, освещая объект и позволяя вам наблюдать за ним напрямую. Опять же, объект не будет прозрачным.
Единственный способ добиться реальной прозрачности - это если бы свет, идущий из-за объекта, мог каким-то образом по той же траектории достигать перед объектом, как если бы свет проходил непосредственно через объект. Таким образом, настоящее «маскирующее устройство» должно работать, чтобы скрыть материал, который не является прозрачным по своей сути, - это отводить свет вокруг объекта со всех сторон. Таким образом, любой наблюдатель, смотрящий из любого места и любой ориентации, просто увидит фоновые сигналы, как будто замаскированного объекта вообще не было.
Немногим более десяти лет назад были разработаны первые двухмерные плащи, скрывающие объекты, если смотреть на них под определенным углом. Сегодня мы работаем над настоящим трехмерным плащом.
За последние два десятилетия было разработано специальное многослойное покрытие вещества, известного как метаматериал, позволяющее электромагнитному излучению определенных длин волн свободно проходить вокруг объекта. Это отличается от прозрачности, когда свет проходит через материал; структура метаматериала направляет свет вокруг объекта, беспрепятственно направляя его в том же направлении, в котором он пришел.
Начиная с 2006 года, наука о трансформационной оптике позволила нам отображать электромагнитное поле на скручиваемой пространственно-подобной сетке; когда сетка искажается, поле тоже искажается, и в правильной конфигурации внутренний объект может быть полностью скрыт. Изгибая, а затем разгибая свет в нужной степени, объекты могут быть замаскированы до определенных длин световых волн.
По состоянию на 2016 год 7-слойный плащ из метаматериала расширил диапазон от инфракрасного до радиочастей спектра: огромный набор длин волн, но это все еще не расширяет в оптический.
Слева: Поперечное сечение бесконечно длинного цилиндра PEC, на который действует плоская волна. Можно наблюдать рассеянные поля. Справа: двумерный плащ, разработанный с использованием методов трансформационной оптики, используется для маскировки цилиндра. В этом случае рассеяния нет, и цилиндр электромагнитно невидим.
Нанотехнологии, связанные с метаматериалами, представлены в виде области металинз. Линзы хорошо известны своей прозрачностью и изменением угла, под которым исходят фоновые лучи света. Собирающие и рассеивающие линзы являются наиболее распространенными формами линз и часто используются для коррекции человеческого зрения в виде очков. Большинство обычных материалов, из которых вы можете сделать линзу, обладают теми же дисперсионными свойствами, что и призма: когда вы пропускаете свет через нее, свет замедляется.
Но в любой линзе есть досадное свойство, заключающееся в том, что свет с разной длиной волны замедляется на разную величину, вот почему вы получаете эффект «радуги», когда свет проходит через среду, как проходит красный свет с другой скоростью, чем синий свет. На линзы тщательной формы можно наносить покрытия, чтобы свести к минимуму этот эффект хроматической аберрации, но в некотором количестве он всегда присутствует. В современных камерах используется несколько объективов, чтобы максимально устранить хроматические аберрации, но это тяжело, громоздко, дорого и все же не на 100% успешно.
Поведение белого света при прохождении через призму демонстрирует, как свет разных энергий движется с разной скоростью в среде, но не в вакууме
Вот где идея металинзы может предложить существенное улучшение по сравнению с традиционными линзами, даже на длинах волн видимого света. Металинза в идеале формировала бы волновые фронты входящих световых волн независимо от длины волны, позволяя сфокусировать этот свет в одной точке даже в самом маленьком масштабе. Металинза обладает многочисленными привлекательными свойствами, в том числе следующими:
- они могут быть очень тонкими (порядка одной длины волны света),
- их легко изготовить,
- и они могут фокусировать свет различных длин волн в одну и ту же точку.
Решающий прорыв 2018 года, который был опубликован в журнале Nature Nanotechnology, связан с применением наноплавников на основе титана. В зависимости от длины волны падающего света эти наноребра будут направлять свет через разные части материала, позволяя ему изгибаться точно в нужной степени, чтобы он попадал туда, куда нам нужно.
Благодаря новой технологии, связанной с этой новой металинзой, свет со всего спектра может быть сфокусирован в одной точке, практически устраняя хроматическую аберрацию.
Немедленно это позволяет разработать более дешевый, легкий и эффективный объектив. Как объясняет один из авторов статьи, Вэй Тинг Чен:
«Объединив два наноплавника в один элемент, мы можем настроить скорость света в наноструктурированном материале, чтобы гарантировать, что все длины волн в видимом диапазоне сфокусированы в одном месте, используя единую металинзу. Это значительно уменьшает толщину и сложность конструкции по сравнению со стандартными композитными ахроматическими линзами».
Хотя самые ранние коммерческие приложения этих металинз вскоре должны включать камеры, устройства виртуальной реальности, микроскопы и другие медицинские и аугментационные технологии, более долгосрочное слияние концепции металинз/наноплавников с метаматериалами может быть именно тем, святой Грааль технологических комбинаций, которые потребуются для реального маскирующего устройства.
Благодаря силе металинзы входящий свет со всего спектра вдоль широкой области может быть сфокусирован в точку. Если бы этот свет можно было обогнуть вокруг объекта, расфокусировать и направить в первоначальном направлении, мы получили бы настоящую мантию-невидимку.
Самой большой проблемой, стоящей перед созданием реального плаща-невидимки, было включение большого разнообразия длин волн, поскольку материал плаща должен изменяться от точки к точке, чтобы сгибаться (а затем разгибаться).) свет на должное количество. Несмотря на то, что метаматериалы обладают впечатляющим диапазоном охвата, они до сих пор исключали видимый свет, но добавление слоя металинзы к метаматериалам может, наконец, преодолеть это препятствие.
Судя по материалам, обнаруженным на данный момент, нам еще не удалось проникнуть в видимую часть спектра с помощью плаща. Однако этот новый прогресс в области металинз, по-видимому, указывает на то, что если вы можете сделать это для одной узкой длины волны, вы можете применить эту наноплавниковую технологию для значительного увеличения охвата длины волны. Это первое применение ахроматических линз охватывало почти весь спектр видимого света: от 470 до 670 нм, тогда как человеческое зрение простирается от 400 до 700 нм. Успешное слияние этого достижения в области металинзы с параллельными достижениями в области метаматериалов сделает реальностью устройства для маскировки видимого света.
Изгиб света и его фокусировка в точку, независимо от длины волны или места его падения на вашу поверхность, - это один из ключевых шагов к созданию настоящего маскирующего устройства. Сочетание металинз и метаматериалов может воплотить эту научно-фантастическую мечту в реальность.
Всего несколько лет назад было высказано предположение, что реальный плащ-невидимка может быть применен только к очень узкому набору длин волн для нескольких конкретных конфигураций. Считалось невероятным, что большие макроскопические объекты могут быть замаскированы до огромного разнообразия длин волн.
Сегодня развитие металинз, позволяющее направлять свет различных длин волн в нужное место, чтобы получить результат без искажений, которого мы так сильно желаем, может быть именно тем открытием, которое нам нужно, чтобы возвестить о появлении настоящее маскирующее устройство.
Как это изначально предполагалось в «Звездном пути», потребовались столетия, чтобы технология маскировки была усовершенствована. Здесь, на Земле, для этого может потребоваться всего одно или два десятилетия. Если это новейшее достижение в области металинз можно будет быстро применить к плащам из метаматериала, оптическое трехмерное маскирующее устройство может, наконец, стать реальностью в самом ближайшем будущем человечества.