211service.com
För osynlighetsmanteln närmare
I ett viktigt steg mot utvecklingen av praktiska osynlighetskappor har forskare konstruerat två nya material som böjer ljus på helt nya sätt. Dessa material är de första som fungerar i det optiska bandet i spektrumet, som omfattar synligt och infrarött ljus; befintliga mantelmaterial fungerar endast med mikrovågor. Sådana kappor, som länge avbildats i science fiction, skulle tillåta föremål, från stridsflyg till människor, att gömma sig i osynlig sikt.
Osynligt nät: Ett nytt material som kan böja nära-infrarött ljus på ett unikt sätt har en nätstruktur. Dessa bilder av ett prisma tillverkat av materialet togs med ett svepelektronmikroskop. Hålen i nätet gör att materialet kan interagera med ljusets magnetiska komponent, vilket möjliggör den ovanliga böjningen och demonstrerar dess löfte för användning i framtida osynlighetskappor. I insatsen syns lagren av metall och isoleringsmaterial som utgör metamaterialet.
Båda materialen, beskrivna separat i tidskrifterna Vetenskap och Natur denna vecka, uppvisa en egenskap som kallas negativ brytning som inget naturligt material har. När ljus passerar genom materialen böjs det bakåt. Ett material arbetar med synligt ljus; den andra har visats med nära-infrarött ljus.
Materialet, skapat i labbet vid University of California, Berkeley, ingenjör Xiang Zhang , skulle kunna visa vägen mot osynlighetskappor som skyddar föremål från synligt ljus. Men Steven Cummer , en ingenjör vid Duke University som är involverad i utvecklingen av mikrovågsmanteln, varnar för att det är en lång väg kvar att gå innan de nya materialen kan användas för cloaking. Skyddsmaterial måste styra ljuset på ett mycket noggrant kontrollerat sätt så att det flödar runt ett föremål och omformas på andra sidan utan förvrängning. Berkeley-materialen kan böja ljus på det grundläggande sätt som krävs för cloaking, men de kommer att kräva ytterligare ingenjörskonst för att manipulera ljuset så att det riktas noggrant.
Ett av de nya Berkeley-materialen består av alternerande lager av metall och ett isolerande material, som båda är stansade med ett rutnät av fyrkantiga hål. Den totala tjockleken på enheten är cirka 800 nanometer; hålen är ännu mindre. Dessa staplade lager bildar elektriska strömslingor som svarar på ljusets magnetfält, vilket möjliggör dess unika böjningsegenskaper, säger Jason Valentine , en doktorand i Zhangs labb. Naturligt förekommande material interagerar däremot inte med den magnetiska komponenten i elektromagnetiska vågor. Genom att ändra storleken på hålen kan forskarna stämma av materialet till olika ljusfrekvenser. Hittills har de visat negativ brytning av nära-infrarött ljus med hjälp av ett prisma tillverkat av materialet.
Forskare har försökt skapa sådana material i nästan 10 år, ända sedan det gick upp för dem att negativ brytning faktiskt kan vara möjlig. Andra forskare har bara kunnat göra enstaka lager som är för tunna – och alldeles för ineffektiva – för enhetsapplikationer. Berkeley-materialet är cirka 10 gånger tjockare än tidigare design, vilket bidrar till att öka hur mycket ljus det sänder samtidigt som det gör det robust nog att vara grunden för riktiga enheter. Det här börjar närma sig verkliga enheter i nanoskala, säger Cummer om Berkeley-prismat.
Det andra materialet består av silver nanotrådar inbäddade i aluminium. Nanotrådsmediet fungerar som optiska fiberbuntar, så i princip är det ganska annorlunda, säger Nicholas Fang , professor i mekanisk vetenskap och ingenjör vid University of Illinois i Urbana-Champagne, som inte var involverad i forskningen. Den skiktade rutnätsstrukturen böjer inte bara ljus i negativ riktning; det får den också att färdas bakåt. Ljus som överförs genom nanotrådsstrukturen böjer sig också i negativ riktning, men utan att färdas bakåt. Eftersom arbetet fortfarande är i ett tidigt skede är det oklart vilket optiskt metamaterial som fungerar bäst och för vilka applikationer. Kanske kommer framtida lösningar att blanda dessa två tillvägagångssätt, säger Fang.
Att göra en osynlighetsmantel kommer att innebära stora tekniska utmaningar. För det första måste forskarna skala upp materialet även för att täcka ett litet föremål: befintliga mikrovågsmaskor och teoretiska konstruktioner för optiska kappor måste vara många lager tjocka för att kunna leda ljus runt föremål utan förvrängning. Att tillverka material för mikrovågsmaskning var lättare eftersom dessa våglängder kan styras av relativt stora strukturella egenskaper. För att styra synligt ljus runt ett föremål krävs ett material vars struktur styrs på nanoskala, som de som tillverkades i Berkeley.
Att utveckla cloaking-enheter kan ta lite tid. På kort sikt kommer Berkeley-material sannolikt att vara användbara inom telekommunikation och mikroskopi. Vågledare i nanoskala och andra enheter gjorda av materialen kan övervinna en av de stora utmaningarna med att skala ner optisk kommunikation till chipnivå: tillåta finkontroll av parallella strömmar av informationsrikt ljus på samma chip så att de inte stör varandra. Och de nya materialen kunde också så småningom utvecklas till linser för ljusmikroskop. Så kallade superlinser för att komma runt grundläggande upplösningsbegränsningar på ljusmikroskop har utvecklats av Fang och andra, och avslöjar hur biologiska molekyler fungerar med upplösning i nanoskala med hjälp av ultraviolett ljus, vilket är skadligt för levande celler i stora doser. Men det har inte varit möjligt att göra superlinser som fungerar i de informationsrika och cellvänliga synliga och nära-infraröda delarna av spektrumet.