Новые метаматериалы: свет под контролем
Множество сообщений о «метаматериалах» (в кавычках, потому что определение начинает расплываться) заставляет нас думать о них чуть ли не как о панацее от всех проблем, болей и ограничений, с которыми сталкивается современный мир технологий. Самые интересные концепции в последнее время касаются оптических компьютеров и виртуальной реальности.
в отношении гипотетические компьютеры будущегов качестве примеров можно привести исследования специалистов израильского университета ТАУ в Тель-Авиве. Они конструируют многослойные наноматериалы, благодаря которым должны быть созданы оптические компьютеры. В свою очередь, исследователи из швейцарского Института Пауля Шеррера построили трехфазное вещество из миллиарда миниатюрных магнитов, способных имитировать три агрегатных состояния, по аналогии с водой.
Для чего это можно использовать? Израильтяне хотят строить. Швейцарцы говорят о передаче данных и записи, а также о спинтронике в целом.
Трехфазный метаматериал из минимагнетиков, имитирующий три состояния воды.
Фотоны по запросу
Исследования ученых из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики могут привести к разработке оптических компьютеров на основе метаматериалов. Они предлагают создать некий лазерный каркас, который сможет улавливать определенные пакеты атомов в определенном месте, создавая строго спроектированную, контролируемую структура на основе света. Он напоминает природные кристаллы. С одним отличием – он практически идеален, в натуральных материалах не наблюдается никаких дефектов.
Ученые считают, что они смогут не только жестко контролировать положение групп атомов в своем «световом кристалле», но и активно влиять на поведение отдельных атомов с помощью другого лазера (ближнего инфракрасного диапазона). Они заставят их, например, по запросу излучать определенную энергию — даже один фотон, который, будучи удаленным из одного места кристалла, сможет воздействовать на атом, захваченный в другом. Это будет своего рода простой обмен информацией.
Способность быстро высвобождать фотон контролируемым образом и передавать его с малыми потерями от одного атома к другому является важным этапом обработки информации для квантовых вычислений. Можно представить себе использование целых массивов управляемых фотонов для выполнения очень сложных вычислений — гораздо быстрее, чем при использовании современных компьютеров. Атомы, встроенные в искусственный кристалл, также могли перескакивать с одного места на другое. В этом случае они сами стали бы носителями информации в квантовом компьютере или могли бы создать квантовый сенсор.
Ученые установили, что атомы рубидия идеально подходят для своих целей. Однако атомы бария, кальция или цезия также могут быть захвачены искусственным лазерным кристаллом, поскольку они обладают схожими уровнями энергии. Чтобы сделать предложенный метаматериал в реальном эксперименте, исследовательской группе придется захватить несколько атомов в искусственную кристаллическую решетку и удерживать их там даже при возбуждении до более высоких энергетических состояний.
Виртуальная реальность без оптических дефектов
Метаматериалы могли бы найти полезное применение и в другой развивающейся области техники — . Виртуальная реальность имеет множество различных ограничений. Существенную роль играют известные нам несовершенства оптики. Совершенную оптическую систему построить практически невозможно, потому что всегда есть так называемые аберрации, т.е. искажения волн, вызванные различными факторами. Нам известны сферические и хроматические аберрации, астигматизм, кома и многие-многие другие неблагоприятные эффекты оптики. Тот, кто использовал наборы виртуальной реальности, наверняка имел дело с этими явлениями. Невозможно спроектировать оптику для ВР, которая была бы легкой, воспроизводила качественное изображение, не имела бы видимой радуги (хроматических аберраций), давала бы большое поле зрения и была бы дешевой. Это просто нереально.
Именно поэтому производители VR-оборудования — Oculus и HTC — используют так называемые Линзы Френеля. Это позволяет получить значительно меньший вес, устранить хроматические аберрации и получить относительно невысокую цену (материал для производства таких линз дешев). К сожалению, светопреломляющие кольца вызывают w Линзы Френеля значительное падение контрастности и создание центробежного свечения, что особенно заметно там, где сцена имеет высокую контрастность (черный фон).
Однако недавно ученым из Гарвардского университета во главе с Федерико Капассо удалось разработать тонкая и плоская линза с использованием метаматериалов. Слой наноструктуры на стекле тоньше человеческого волоса (0,002 мм). Он не только не имеет типичных недостатков, но и обеспечивает гораздо лучшее качество изображения, чем дорогие оптические системы.
Линза Капассо, в отличие от типичных выпуклых линз, искривляющих и рассеивающих свет, изменяет свойства световой волны за счет выступающих с поверхности микроскопических структур, напыленных на кварцевое стекло. Каждый такой выступ по-разному преломляет свет, меняя его направление. Поэтому важно правильно распределить такую наноструктуру (узор), которая спроектирована на компьютере и произведена с использованием методов, аналогичных компьютерным процессорам. Это означает, что этот тип линз может производиться на тех же заводах, что и раньше, с использованием известных технологических процессов. Диоксид титана используется для напыления.
Стоит упомянуть еще одно инновационное решение «метаоптики». гиперлинзы из метаматериала, сделанный в Американском университете Буффало. Первые версии гиперлинз были сделаны из серебра и диэлектрического материала, но работали они только в очень узком диапазоне длин волн. Ученые Буффало использовали концентрическое расположение золотых стержней в корпусе из термопластика. Он работает в диапазоне волн видимого света. Исследователи иллюстрируют увеличение разрешения в результате использования нового решения на примере медицинского эндоскопа. Обычно он распознает объекты до 10 250. нанометров, а после установки гиперлинз «опускается» до XNUMX нанометров. В конструкции преодолевается проблема дифракции, явления, значительно снижающего разрешающую способность оптических систем — вместо волновых искажений они преобразуются в волны, которые можно регистрировать в последующих оптических устройствах.
Согласно публикации в Nature Communications, этот метод может быть использован во многих областях, от медицины до при наблюдениях за отдельными молекулами. Уместно дождаться конкретных устройств на основе метаматериалов. Возможно, они позволят виртуальной реальности наконец добиться настоящего успеха. Что касается «оптических компьютеров», то это пока довольно далекие и туманные перспективы. Однако ничего нельзя исключать…
