Les "tapes d'invisibilitat" encara són invisibles

L'últim d'una sèrie de "mantells d'invisibilitat" és el nascut a la Universitat de Rochester (1), que utilitza el sistema òptic adequat. Tanmateix, els escèptics l'anomenen una mena de truc il·lusionista o efecte especial, en què un sistema de lents intel·ligents refracta la llum i enganya la visió de l'observador.

Hi ha algunes matemàtiques força avançades darrere de tot: els científics han d'utilitzar-les per trobar com configurar les dues lents perquè la llum es refracti de manera que puguin amagar l'objecte directament darrere d'ells. Aquesta solució no només funciona quan es mira directament les lents: n'hi ha prou amb un angle de 15 graus o un altre.

1. "Cap d'invisibilitat" de la Universitat de Rochester.

Es pot utilitzar als cotxes per eliminar els punts cecs als miralls o als quiròfans, permetent als cirurgians veure a través de les seves mans. Aquesta és una altra d'una llarga sèrie de revelacions sobre tecnologia invisibleque ens han arribat els darrers anys.

L'any 2012, ja vam saber parlar del "Cap d'invisibilitat" de la American Duke University. Només els més curiosos van llegir llavors que es tractava de la invisibilitat d'un petit cilindre en un petit fragment de l'espectre de microones. Un any abans, els funcionaris de Duke van informar sobre la tecnologia furtiva del sonar que pot semblar prometedora en alguns cercles.

Malauradament, ho va ser invisibilitat només des d'un cert punt de vista i en un àmbit reduït, la qual cosa feia que la tecnologia fos poc útil. El 2013, els incansables enginyers de Duke van proposar un dispositiu imprès en 3D que camuflava un objecte col·locat a l'interior amb micro-forats a l'estructura (2). Tanmateix, de nou, això va passar en un rang limitat d'ones i només des d'un cert punt de vista.

Les fotografies publicades a Internet semblaven prometedores a l'empresa canadenca Hyperstealth, que el 2012 es va anunciar amb el nom intrigant de Quantum Stealth (3). Malauradament, mai s'han demostrat prototips que funcionen, ni s'ha explicat com funciona. L'empresa cita problemes de seguretat com a motiu i informa de manera críptica que està preparant versions secretes del producte per a l'exèrcit.

Monitor frontal, càmera posterior

Primer moderntapa d'invisibilitat» Presentat fa deu anys per l'enginyer japonès Prof. Susumu Tachi de la Universitat de Tòquio. Va utilitzar una càmera col·locada darrere d'un home que portava un abric que també era monitor. S'hi va projectar la imatge de la càmera posterior. L'home amb capa era "invisible". Un truc similar l'utilitza el dispositiu de camuflatge de vehicles Adaptiv introduït la dècada anterior per BAE Systems (4).

Mostra una imatge infraroja "des del darrere" a l'armadura del tanc. Aquesta màquina simplement no es veu als dispositius d'albirament. La idea d'emmascarar objectes va prendre forma l'any 2006. John Pendry de l'Imperial College de Londres, David Schurig i David Smith de la Universitat de Duke van publicar la teoria de l'"òptica de transformació" a la revista Science i van presentar com funciona en el cas de les microones (longituds d'ona més llargues que la llum visible).

2. Una "gorra d'invisibilitat" imprès en tres dimensions.

Amb l'ajuda de metamaterials adequats, una ona electromagnètica es pot doblegar de manera que es salvi l'objecte circumdant i torni al seu camí actual. El paràmetre que caracteritza la reacció òptica general del medi és l'índex de refracció, que determina quantes vegades més lent que al buit, la llum es mou en aquest medi. Ho calculem com l'arrel del producte de la permeabilitat elèctrica i magnètica relativa.

permeabilitat elèctrica relativa; determina quantes vegades la força d'interacció elèctrica en una substància determinada és menor que la força d'interacció en el buit. Per tant, és una mesura de la força que responen les càrregues elèctriques d'una substància a un camp elèctric extern. La majoria de les substàncies tenen una permitivitat positiva, la qual cosa significa que el camp modificat per la substància encara té el mateix significat que el camp extern.

La permeabilitat magnètica relativa m determina com canvia el camp magnètic en un espai ple d'un material determinat, en comparació amb el camp magnètic que existiria en el buit amb la mateixa font de camp magnètic extern. Per a totes les substàncies naturals, la permeabilitat magnètica relativa és positiva. Per a mitjans transparents com el vidre o l'aigua, les tres quantitats són positives.

Aleshores, la llum, que passa del buit o de l'aire (els paràmetres de l'aire només són lleugerament diferents del buit) al medi, es refracta segons la llei de refracció i la relació entre el sinus de l'angle d'incidència i el sinus de l'angle de refracció és igual a l'índex de refracció d'aquest medi. El valor és inferior a zero; i m significa que els electrons dins del medi es mouen en sentit contrari a la força creada pel camp elèctric o magnètic.

Això és exactament el que passa en els metalls, en els quals el gas d'electrons lliures experimenta les seves pròpies oscil·lacions. Si la freqüència d'una ona electromagnètica no supera la freqüència d'aquestes oscil·lacions naturals dels electrons, aleshores aquestes oscil·lacions apliquen el camp elèctric de l'ona amb tanta eficàcia que no permeten que penetri profundament en el metall i fins i tot creen un camp dirigit de manera oposada. al camp extern.

Com a resultat, la permitivitat d'aquest material és negativa. Incapaç de penetrar profundament en el metall, la radiació electromagnètica es reflecteix a la superfície del metall i el metall mateix adquireix una brillantor característica. Què passaria si ambdós tipus de permitivitat fossin negatius? Aquesta pregunta la va fer el 1967 el físic rus Viktor Veselago. Resulta que l'índex de refracció d'aquest medi és negatiu i la llum es refracta d'una manera completament diferent a la que segueix la llei de refracció habitual.

5. Refracció negativa a la superfície d'un metamaterial - visualització

Aleshores, l'energia de l'ona electromagnètica es transfereix cap endavant, però els màxims de l'ona electromagnètica es mouen en sentit contrari a la forma de l'impuls i l'energia transferida. Aquests materials no existeixen a la natura (no hi ha substàncies amb permeabilitat magnètica negativa). Només en la publicació del 2006 esmentada anteriorment i en moltes altres publicacions creades en anys posteriors, es va poder descriure i, per tant, construir estructures artificials amb un índex de refracció negatiu (5).

S'anomenen metamaterials. El prefix grec "meta" significa "després", és a dir, es tracta d'estructures fetes amb materials naturals. Els metamaterials adquireixen les propietats que necessiten construint petits circuits elèctrics que imiten les propietats magnètiques o elèctriques del material. Molts metalls tenen una permeabilitat elèctrica negativa, de manera que n'hi ha prou amb deixar espai per als elements que donen una resposta magnètica negativa.

En lloc d'un metall homogeni, una gran quantitat de cables metàl·lics prims disposats en forma de reixeta cúbica s'uneixen a una placa de material aïllant. En canviar el diàmetre dels cables i la distància entre ells, és possible ajustar els valors de freqüència als quals l'estructura tindrà una permeabilitat elèctrica negativa. Per obtenir una permeabilitat magnètica negativa en el cas més senzill, el disseny consta de dos anells trencats fets d'un bon conductor (per exemple, or, plata o coure) i separats per una capa d'un altre material.

Aquest sistema s'anomena ressonador d'anell dividit, abreujat com a SRR, de l'anglès. Ressonador d'anell dividit (6). A causa dels buits dels anells i la distància entre ells, té una certa capacitat, com un condensador, i com que els anells estan fets de material conductor, també té una certa inductància, és a dir. capacitat de generar corrents.

Els canvis en el camp magnètic extern de l'ona electromagnètica fan que flueixi un corrent als anells, i aquest corrent crea un camp magnètic. Resulta que amb un disseny adequat, el camp magnètic creat pel sistema es dirigeix ​​oposat al camp extern. Això resulta en una permeabilitat magnètica negativa d'un material que conté aquests elements. En establir els paràmetres del sistema metamaterial, es pot obtenir una resposta magnètica negativa en un rang força ampli de freqüències d'ona.

meta - edifici

El somni dels dissenyadors és construir un sistema en el qual idealment les ones flueixin al voltant de l'objecte (7). L'any 2008, els científics de la Universitat de Califòrnia, Berkeley, per primera vegada a la història, van crear materials tridimensionals que tenen un índex de refracció negatiu per a la llum visible i l'infraroja propera, inclinant la llum en una direcció oposada a la seva direcció natural. Van crear un nou metamaterial combinant plata amb fluorur de magnesi.

A continuació, es talla en una matriu formada per agulles en miniatura. El fenomen de la refracció negativa s'ha observat a longituds d'ona de 1500 nm (infraroig proper). A principis de 2010, Tolga Ergin de l'Institut Tecnològic de Karlsruhe i els seus col·legues de l'Imperial College de Londres van crear invisible cortina de llum. Els investigadors van utilitzar materials disponibles al mercat.

Van utilitzar cristalls fotònics col·locats sobre una superfície per cobrir una protuberància microscòpica sobre una placa d'or. Així, el metamaterial es va crear a partir de lents especials. Les lents oposades a la gepa de la placa estan situades de manera que, en desviar part de les ones lluminoses, eliminen la dispersió de la llum sobre la protuberància. En observar la placa al microscopi, utilitzant llum amb una longitud d'ona propera a la de la llum visible, els científics van veure una placa plana.

Més tard, investigadors de la Universitat de Duke i l'Imperial College de Londres van aconseguir obtenir un reflex negatiu de la radiació de microones. Per obtenir aquest efecte, els elements individuals de l'estructura del metamaterial han de ser inferiors a la longitud d'ona de la llum. Per tant, és un repte tècnic que requereix la producció d'estructures metamaterials molt petites que coincideixin amb la longitud d'ona de la llum que se suposa que han de refractar.

La llum visible (violeta a vermella) té una longitud d'ona de 380 a 780 nanòmetres (un nanòmetre és una mil·milionèsima part d'un metre). Nanotecnòlegs de la Universitat escocesa de St. Andrews van venir al rescat. Van obtenir una única capa de metamaterial de malla extremadament densa. Les pàgines del New Journal of Physics descriuen un metaflex capaç de doblegar longituds d'ona d'uns 620 nanòmetres (llum taronja-vermell).

El 2012, un grup d'investigadors nord-americans de la Universitat de Texas a Austin va inventar un truc completament diferent amb microones. Un cilindre amb un diàmetre de 18 cm va ser recobert amb un material de plasma d'impedància negativa, que permet manipular les propietats. Si té les propietats òptiques exactament oposades a l'objecte ocult, crea una mena de "negatiu".

Així, les dues ones se superposen i l'objecte es fa invisible. Com a resultat, el material pot doblegar diversos rangs de freqüències diferents de l'ona de manera que flueixin al voltant de l'objecte, convergint a l'altre costat d'aquest, cosa que pot no ser perceptible per a un observador extern. Els conceptes teòrics es multipliquen.

Fa aproximadament una dotzena de mesos, Advanced Optical Materials va publicar un article sobre un estudi possiblement innovador realitzat per científics de la Universitat de Florida Central. Qui sap si no han superat les restriccions existents a "barrets invisibles» Construït a partir de metamaterials. Segons la informació que van publicar, és possible la desaparició de l'objecte en el rang de llum visible.

7. Maneres teòriques de doblegar la llum sobre un objecte invisible

Debashis Chanda i el seu equip descriuen l'ús d'un metamaterial amb una estructura tridimensional. Va ser possible aconseguir-ho gràcies a l'anomenat. impressió per nanotransferència (NTP), que produeix cintes metall-dielèctriques. L'índex de refracció es pot canviar mitjançant mètodes de nanoenginyeria. El camí de propagació de la llum s'ha de controlar a l'estructura superficial tridimensional del material mitjançant el mètode de ressonància electromagnètica.

Els científics són molt cautelosos en les seves conclusions, però a partir de la descripció de la seva tecnologia queda clar que els recobriments d'aquest material són capaços de desviar les ones electromagnètiques en gran mesura. A més, la manera com s'obté el nou material permet la producció de grans superfícies, fet que ha portat alguns a somiar amb lluitadors coberts d'un camuflatge que els proporcionaria invisibilitat complet, des del radar fins a la llum del dia.

Els dispositius d'ocultació que utilitzen metamaterials o tècniques òptiques no provoquen la desaparició real dels objectes, sinó només la seva invisibilitat a les eines de detecció, i aviat, potser, a la vista. Tanmateix, ja hi ha idees més radicals. Jeng Yi Lee i Ray-Kuang Lee de la Universitat Nacional Tsing Hua de Taiwan van proposar un concepte teòric d'un "mantell d'invisibilitat" quàntic capaç d'eliminar objectes no només del camp de visió, sinó també de la realitat en el seu conjunt.

Això funcionarà de manera similar al que s'ha comentat anteriorment, però s'utilitzarà l'equació de Schrödinger en comptes de les equacions de Maxwell. El punt és estirar el camp de probabilitat de l'objecte perquè sigui igual a zero. Teòricament, això és possible a microescala. Tanmateix, caldrà molt de temps esperar les possibilitats tecnològiques de fabricació d'aquesta coberta. Com qualsevol"tapa d'invisibilitat"El que es pot dir que realment estava amagant alguna cosa de la nostra visió.