211service.com
Hur man gör ett objekt osynligt
En hårborsteformad enhet har teoretiskt utformats som skulle använda borst gjorda av nanotrådar för att böja ljus runt den, vilket gör objektet osynligt. Forskarna som kom med designen säger att det är den första praktiska designen för en optisk mantel som fungerar i det synliga spektrumet. De arbetar nu med att bygga en verklig enhet baserad på deras beräkningar.
Kappa på, kappa av: Simuleringar visar hur ljus interagerar med cloakinganordningens tvärsnitt. När den är oskyddad (överst) reflekteras ljus från objektet. Men när det är täckt (botten) styrs ljuset runt objektet och allt inom det.
Även om det fortfarande bara är en teoretisk design, är det den första som visar hur en nyligen upptäckt cloaking-effekt kan fås att fungera för alla våglängder av synligt ljus, säger Vladimir Shalaev , professor i el- och datorteknik vid Purdue University, i West Lafayette, IN, som ledde forskningsansträngningen.
Det anger en färdplan för att bygga den här typen av strukturer, säger John Pendry , professor i teoretisk fysik vid Imperial College London, U.K. Förutom att göra det möjligt att göra saker osynliga kan arbetet leda till sätt att skapa värmesköldar genom att böja infrarött ljus runt föremål, säger han. Pendrys första forskning ledde till förra årets skapande av den första fungerande cloaking-anordningen, som fungerade i mikrovågsområdet. (Se Cloaking Breakthrough .) Det här senaste arbetet visar nu ett sätt att utöka detta till det synliga ljusområdet, säger Pendry.
För att bli osynligt måste ett föremål göra två saker: det måste kunna böja ljus runt sig själv, så att det inte kastar någon skugga, och det får inte producera någon reflektion. Även om naturligt förekommande material inte kan göra detta, gör en ny klass av material som kallas metamaterial det nu. (Se TR10: Osynlig revolution.)
Att böja ljus runt ett föremål kräver att ett material har ett negativt brytningsindex. Brytningsindex är en egenskap som dikterar hur ljus passerar genom ett medium; det är anledningen till att en pinne ser böjd ut när den placeras i vatten. Om vatten hade ett negativt brytningsindex skulle det få pinnen att se ut som om den böjde sig tillbaka på sig själv.
Förra året visade Pendry att det är teoretiskt möjligt att designa strukturer av mycket tunna ledande ledningar som kan ha en effekt på mikrovågornas elektriska och magnetiska fält och få dem att böjas på onaturliga sätt som detta. Denna teori backades senare upp av experiment utförda av David Smith och David Schurig vid Duke University, i Durham, NC.
Men att upprepa framgången för visuellt ljus verkade ge problem. För det första skulle det krävas komponenter som bara är 40 nanometer stora för att få designen som används av Smith och Schurig att fungera för synligt ljus.
Lösningen var att designa en enhet med tätt åtskilda nålar av nanotrådar, 10 nanometer i diameter och 60 nanometer långa, utgående från en cylindrisk central eker. I det aktuella numret av tidskriften Naturfotonik , visar forskarna hur – åtminstone i teorin – detta skulle dölja objektet från rött ljus med en våglängd på 632,8 nanometer.
Det finns dock begränsningar för detta tillvägagångssätt. En mycket liten andel ljus skulle fortfarande reflekteras, så att föremålet inte skulle vara helt osynligt. Även om designen kan anpassas för att fungera för andra frekvenser i det synliga området, fungerar designen fortfarande bara för ett mycket smalt ljusband.
Det här är ett verkligt problem, säger Ulf Leonhardt , professor i teoretisk fysik vid St. Andrews University, i Skottland, och expert på detta område. Det skulle se helt konstigt ut, och du skulle definitivt se något. Men han säger att detta inte är ett åtal mot Purdue-forskningen; snarare är det ett allmänt problem med forskning om cloaking hittills.
Det är fortfarande ett viktigt steg att gå in i det synliga området, säger Leonhardt. Och det är ett klart steg framåt. Men för att få saker att verkligen försvinna framför våra ögon måste man hitta ett sätt att få enheter att fungera över ett brett spektrum av frekvenser, säger han.
Trots det är att använda nanotrådar en mycket praktisk väg framåt, säger Pendry. Det är väldigt användbart eftersom det vi verkligen vill nu är att se hur väl människor kan bygga dem, säger han. Det är faktiskt vad gruppen arbetar med nu. Nästa steg är att tillverka och testa ett verkligt prov, säger Alexander Kildishev, en forskare vid Purdue. Detta arbete kommer att utföras i samarbete med Purdues Birck Nanotechnology Center.