211service.com
Osynlighets-mantel genombrott
Metamaterial interagerar med ljus på sätt som verkar bryta mot fysikens lagar. De kan böja ljus runt ett föremål som om det inte vore där, eller minska upplösningen av ljusmikroskop till några nanometer. Men metamaterial måste noggrant struktureras på nano- och mikroskala för att uppnå dessa exotiska effekter. Nu har forskaren vid Duke University som byggde den första osynlighetsmanteln 2006 skapat mjukvara som påskyndar designen av metamaterial. Han och hans kollegor har använt programmet för att bygga en komplex ljuskappa som är osynlig för ett brett band av mikrovågsljus – och de gjorde det på bara cirka 10 dagar.
Nu ser du det: En ny enhet som kan omdirigera mikrovågsstrålning består av cirka 600 I-formade kopparstrukturer och fungerar över ett brett spektrum.
David R. Smith av Duke och Tai Jun Cui från Southeast University i Nanjing, Kina, ledde arbetet, som är ett landmärke inom metamaterial. Kappan som forskarna byggde fungerar med ljusvåglängder som sträcker sig från cirka 1 till 18 gigahertz – en sträng lika bred som det synliga spektrumet. Ingen har ännu tillverkat en cloaking-anordning som fungerar i det synliga spektrumet, och de metamaterial som har tillverkats tenderar att fungera endast med smala ljusband. Men en kappa som gjorde ett föremål osynligt för ljus av endast en färg skulle inte vara till stor nytta. På samma sätt har en cloaking-enhet inte råd att vara förlustig: om den låter bara lite ljus reflekteras från föremålet som den ska täcka, är den inte längre effektiv. Kappan som Smith byggde är mycket låg förlust, och lyckas omdirigera nästan allt ljus som träffar den.
Deras kappa … svarar nejsägarna som förutspådde att kappor alltid skulle vara smalbandiga och förlustiga, säger John Pendry , ordförande i teoretisk fasta tillståndsfysik vid Imperial College London. Pendry gjorde det teoretiska arbete som både den första osynlighetsmanteln och dess nya efterträdare bygger på. Det behöver inte sägas att jag är nöjd med den här utvecklingen, säger Pendry. Han och hans Imperial College-kollega Jensen Li föreslog en teoretisk version av en bredbandsmantel bara förra året, och vid den tiden, säger han, förväntade han sig inte så snabba experimentella framsteg.
Bredbandsmanteln är en rektangulär struktur som mäter cirka 50 gånger 10 centimeter, med en höjd av cirka 1 centimeter. Den består av ungefär 600 I-formade kopparstrukturer. Att göra varje struktur är en enkel sak, säger Smith. De är kopparmönster på ett kretskort, uppskurna och arrangerade. Det är en välkänd, billig teknik. Det svåra är att bestämma dimensionerna för var och en av dessa 600 strukturer och hur man ordnar dem. Med den första lätta kappan, som bara hade 10 sådana delar, var vi tvungna att designa varje element genom numeriska simuleringar, säger Smith. Att tillämpa samma tillvägagångssätt på den mer komplicerade kappan skulle ha ätit upp månader.
Även för fysiker och ingenjörer är matematiken involverad i den teoretiska designen av cloakinganordningar mycket svår, säger Nicholas Fang , professor i mekanisk vetenskap och ingenjörskonst vid University of Illinois i Urbana-Champaign. Hur ett material interagerar med ljusets magnetiska och elektriska komponenter tas med i beräkningen vid bestämning av storleken, formen och orienteringen av varje struktur i ett metamaterial. Pendry och Lis teoretiska arbete beskrev hur man gör en bredbandsmantel genom att använda material strukturerade så att de har en elektrisk reaktion på ljus, men inte en magnetisk. Men det var inte klart hur man skulle omsätta denna idé i praktiken. Forskarna vid Southeast University utvecklade nya algoritmer för att påskynda processen kraftigt, säger Smith. Dessa algoritmer gör det möjligt att snabbt förutsäga hur en struktur med en viss form kommer att interagera med ljus.
Själva kappan, beskriven denna vecka i Vetenskap , är verkligen imponerande, säger Fang, som arbetar med metamaterial för biologisk avbildning med superupplösning. Men vad som är mer spännande är att det nya tillvägagångssättet för design kommer att påskynda utvecklingen av andra metamaterial. Smith säger att han och hans grupp redan har tagit sig bortom den mantel som rapporterats in Vetenskap , men eftersom deras senaste verk är opublicerat kan han inte specificera vad de har gjort. Nu [att] det här blir en mer genomförbar teknik, säger han, kommer vi att börja se mycket mer av det.
Andra tillämpningar av metamaterial, säger Smith, inkluderar optiska enheter som tar ljusenergi och koncentrerar den, istället för att vända bort den - begreppsmässigt, motsatsen till en mantel. Man skulle kunna förbättra solceller genom att göra strukturer för att öka ljusets fältstyrka, säger han. Det nya arbetet föreslår att detta skulle kunna göras över hela spektrumet av våglängder som finns i solljus. På samma sätt kan bredbandshyperlinser som samlar upp ljus som missas av normala linser revolutionera biologisk avbildning. Fang och andra har utvecklat smalbandiga hyperlinser med upplösningar på bara några få nanometer, som gör cellernas molekylära funktioner synliga. En bredbandshyperlins skulle kunna fungera med alla färger av synligt och infrarött ljus.
Det slutliga målet, säger Pendry, är att täcka in spektrat av synligt ljus, och Smiths senaste arbete pekar på vägen framåt. Det finns inga oöverstigliga hinder för att få en kappa att fungera vid optiska frekvenser, säger Pendry. The Duke paper för detta mål ett steg närmare.