211service.com
Skyddsgenombrott
Ända sedan H. G. Wells publicerade Den osynlige mannen för mer än ett sekel sedan, har utsikterna till osynlighet – eller cloaking – varit en stöttepelare i science fiction. Men nu säger fysiker att de äntligen har kommit på hur man gör objekt osynliga, och dessutom är de bara månader från att omsätta denna teori i praktiken.
Blått cloaking-metamaterial kan böja ljus runt ett objekt (orange cirkel), vilket säkerställer att det inte kastar någon skugga eller reflektion. (Kredit: D. Schurig, Duke University.)
Tricket är att hitta ett sätt att styra ljus och andra typer av elektromagnetisk strålning runt ett föremål så att det inte kastar någon skugga och inte ger någon reflektion. Normalt skulle den här typen av manipulation vara en stor ordning, säger John Pendry från Imperial College London, England. Men, tillägger han, den senaste utvecklingen av en ny klass av material som kallas metamaterial gör det lockande genomförbart.
Metamaterial är konstruerade material vars egenskaper bestäms av deras fysiska struktur snarare än deras kemi, säger Pendry. Sådana egenskaper inkluderar förmågan att böja ljus, säger han.
Jobbar nu med David Smith och David Schurig från Duke University, har Pendry formulerat ett sätt att designa metamaterial som kan böja ljus runt ett objekt oavsett vilken riktning ljuset kommer från. Du kan applicera den på vilken form som helst, säger Smith. Det betyder att i teorin kan vad som helst döljas, säger han.
Bygger på Pendrys arbete, som beskrivs i det aktuella numret av Vetenskap Smith och Schurig utvecklar en proof-of-principe-enhet, med finansiering från det amerikanska försvarsdepartementets forskningsavdelning, Defense Advanced Research Projects Agency. Det är rättvist att säga att det i år kommer att finnas en demonstration om cloakings grundläggande fysik, säger Schurig.
Döljningseffekten beror på ett materials brytningsindex eller dess förmåga att påverka ljusets riktning som passerar genom det. Ljus tenderar att föredra den snabbaste vägen mellan två punkter, som normalt är en rak linje. Med metamaterial kan dock den snabbaste vägen vara en som böjer sig runt ett föremål.
Men böjljus är bara ett av kraven för cloaking. Du måste återföra ljuset till samma väg som det följde innan det träffade kappan; annars kastar det en skugga, säger Pendry. På samma sätt, när ljus kommer in i kappan får det inte reflekteras. Ett sätt att tänka på det är att det här materialet ger sken av att vara som rymd, säger Smith, genom att rymden kan böja ljus och inte heller har någon reflektion.
Det är ett genombrott, säger George Eleftheriades , en expert på metamaterial vid University of Toronto. Men, säger han, det finns en begränsning: det kommer inte att fungera för varje frekvens.
I själva verket kan nuvarande material endast omdirigera mikrovågor, vilket innebär att den cloaking-anordning som Smith och Schurig utvecklar endast fungerar mot radar eller andra mikrovågssändare. Även om detta sannolikt kommer att visa sig användbart för framtida smygplan, är vi fortfarande åtminstone ett decennium borta från att täcka föremål från synligt ljus.
Anledningen är att för att åstadkomma cloaking-effekten måste understrukturerna i metamaterialen vara mindre än våglängden på ljuset som omdirigeras. Det är för närvarande möjligt för mikrovågor, som har en våglängd på cirka tre centimeter. Men att omdirigera synligt ljus, som har en våglängd på cirka en halv mikrometer eller en halv miljondels meter, skulle kräva metamaterial med strukturer konstruerade på molekylär nivå. Vi skulle vilja göra det i molekylär skala, men nanoteknik är ännu inte upp till det, säger Pendry. Den senaste utvecklingen inom nanometamaterial kan dock påskynda utvecklingsprocessen.
För närvarande består alltså prototypmanteln av uppsättningar av millimeterstora kopparstavar och C-formade ringar inbäddade i ett kompositfiberkort, ungefär som den typ av kretskort som normalt innehåller datorchips. Både stavarna och C-ringarna är kapabla att passivt skapa elektromagnetiska fält när de utsätts för mikrovågsstrålning. När de är orienterade precis rätt kan dessa komponenter specificera den väg som strålningen kommer att följa.
Det finns också en annan applikation för cloaking, säger Schurig: den kan användas som en slags sköld. Ibland vill man skydda eller isolera saker från det elektromagnetiska spektrumet, säger han. Till exempel kan cloaking användas på rymdsonder för att skydda känslig utrustning från kosmisk strålning.
Men det finns en hake. Även om alla täckta föremål skulle vara osynliga, skulle det också vara blinda inom det täckta frekvensområdet, eftersom allt ljus som riktas mot det skulle omdirigeras runt det. När det gäller ett radarklädd plan borde detta inte vara något större problem, säger Schurig. Piloten skulle inte kunna använda radar, men hon kunde fortfarande navigera visuellt.