“Шапки-невидимки” по-прежнему не видно

Последней в серии «шапок-невидимок» является та, что родилась в Университете Рочестера (1), в которой используется соответствующая оптическая система. Однако скептики называют это неким иллюзионистским трюком или спецэффектом, при котором умная система линз преломляет свет и обманывает зрение наблюдателя.

За всем стоит довольно продвинутая математика — ученые с ее помощью должны найти такую ​​настройку двух линз, чтобы свет преломлялся таким образом, чтобы можно было скрыть объект прямо за ними. Это решение работает не только при прямом взгляде на линзы — достаточно угла в 15 градусов или другого.

1. «Шапка-невидимка» от Университета Рочестера.

Его можно использовать в автомобилях для устранения слепых зон в зеркалах или в операционных, позволяя хирургам видеть сквозь руки. Это еще одно из длинной серии откровений о невидимая технологиякоторые пришли к нам в последние годы.

В 2012 году мы уже слышали о «Шапке-невидимке» от американского Университета Дьюка. Только самые любознательные читали тогда, что речь шла о невидимости маленького цилиндра в крохотном фрагменте микроволнового спектра. Годом ранее официальные лица Duke сообщили о технологии невидимости для сонара, которая в некоторых кругах может показаться многообещающей.

К сожалению, речь шла о невидимость только с определенной точки зрения и в узком объеме, что делало технологию малопригодной. В 2013 году неутомимые инженеры из Дьюка предложили напечатанное на 3D-принтере устройство, которое маскировало помещенный внутрь объект микроотверстиями в конструкции (2). Однако опять же, это происходило в ограниченном диапазоне волн и только с определенной точки зрения.

На опубликованных в Интернете фотографиях многообещающе выглядела накидка канадской компании Hyperstealth, которая в 2012 году рекламировалась под интригующим названием Quantum Stealth (3). К сожалению, рабочие прототипы так и не были продемонстрированы, и не было объяснено, как это работает. В качестве причины компания называет вопросы безопасности и загадочно сообщает о подготовке секретных версий продукта для военных.

Передний монитор, задняя камера

Первый современныйкепка-невидимка» Представленный десять лет назад японским инженером проф. Сусуму Тачи из Токийского университета. Он использовал камеру, расположенную за спиной человека, одетого в пальто, которое также было монитором. На него проецировалось изображение с задней камеры. Человек в плаще был «невидимым». Похожий трюк использует устройство Adaptiv для маскировки боевых машин, представленное в предыдущем десятилетии компанией BAE Systems (4).

Он выводит инфракрасное изображение «сзади» на броню танка. Такую машину просто не увидеть в прицельных приборах. Идея маскирования объектов оформилась в 2006 году. Джон Пендри из Имперского колледжа Лондона, Дэвид Шуриг и Дэвид Смит из Университета Дьюка опубликовали в журнале Science теорию «трансформационной оптики» и представили, как она работает в случае микроволн ( более длинные волны), чем видимый свет).

2. «Шапка-невидимка», напечатанная в трех измерениях.

С помощью соответствующих метаматериалов электромагнитную волну можно искривить таким образом, чтобы обойти окружающий объект и вернуться на свой текущий путь. Параметром, характеризующим общую оптическую реакцию среды, является показатель преломления, определяющий, во сколько раз медленнее, чем в вакууме, свет движется в данной среде. Мы вычисляем его как корень произведения относительной электрической и магнитной проницаемостей.

относительная электрическая проницаемость; определяет, во сколько раз сила электрического взаимодействия в данном веществе меньше силы взаимодействия в вакууме. Следовательно, это мера того, насколько сильно электрические заряды внутри вещества реагируют на внешнее электрическое поле. Большинство веществ имеют положительное значение диэлектрической проницаемости, что означает, что поле, измененное веществом, по-прежнему имеет тот же смысл, что и внешнее поле.

Относительная магнитная проницаемость m определяет, как изменяется магнитное поле в пространстве, заполненном данным материалом, по сравнению с магнитным полем, которое существовало бы в вакууме при том же внешнем источнике магнитного поля. Для всех встречающихся в природе веществ относительная магнитная проницаемость положительна. Для прозрачных сред, таких как стекло или вода, все три величины положительны.

Тогда свет, переходя из вакуума или воздуха (параметры воздуха лишь немного отличаются от вакуума) в среду, преломляется по закону преломления и отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно равно показателю преломления для данной среды. Значение меньше нуля; а m означает, что электроны внутри среды движутся в направлении, противоположном силе, создаваемой электрическим или магнитным полем.

Именно это и происходит в металлах, в которых свободный электронный газ подвергается собственным колебаниям. Если частота электромагнитной волны не превышает частоты этих собственных колебаний электронов, то эти колебания настолько эффективно экранируют электрическое поле волны, что не позволяют ей проникнуть вглубь металла и даже создать поле, направленное противоположно внешнее поле.

В результате диэлектрическая проницаемость такого материала отрицательна. Не имея возможности проникнуть вглубь металла, электромагнитное излучение отражается от поверхности металла, а сам металл приобретает характерный блеск. Что, если бы оба типа диэлектрической проницаемости были отрицательными? Такой вопрос задал в 1967 году русский физик Виктор Веселаго. Оказывается, показатель преломления такой среды отрицателен и свет преломляется совершенно иначе, чем это следует из обычного закона преломления.

5. Отрицательное преломление на поверхности метаматериала – визуализация

Тогда энергия электромагнитной волны передается вперед, но максимумы электромагнитной волны движутся в направлении, противоположном форме импульса и переносимой энергии. Таких материалов в природе не существует (нет веществ с отрицательной магнитной проницаемостью). Только в упомянутой выше публикации 2006 г. и во многих других публикациях, созданных в последующие годы, удалось описать и, следовательно, построить искусственные сооружения с отрицательным показателем преломления (5).

Их назвали метаматериалами. Греческая приставка «мета» означает «после», то есть это конструкции из природных материалов. Метаматериалы приобретают необходимые им свойства путем построения крошечных электрических цепей, имитирующих магнитные или электрические свойства материала. Многие металлы имеют отрицательную электрическую проницаемость, поэтому достаточно оставить место для элементов, дающих отрицательный магнитный отклик.

Вместо однородного металла на пластину из изоляционного материала крепится множество тонких металлических проволок, расположенных в виде кубической сетки. Изменяя диаметр проводов и расстояние между ними, можно регулировать значения частоты, при которых конструкция будет иметь отрицательную электрическую проницаемость. Для получения отрицательной магнитной проницаемости в простейшем случае конструкция состоит из двух разорванных колец, изготовленных из хорошего проводника (например, золота, серебра или меди) и разделенных слоем другого материала.

Такая система называется резонатор с разрезным кольцом — сокращенно SRR, от англ. Split-ring resonator (6). Из-за зазоров в кольцах и расстояния между ними он имеет определенную емкость, как конденсатор, а поскольку кольца сделаны из проводящего материала, он также имеет определенную индуктивность, т.е. способность генерировать токи.

Изменения внешнего магнитного поля от электромагнитной волны вызывают протекание тока в кольцах, и этот ток создает магнитное поле. Получается, что при соответствующей конструкции магнитное поле, создаваемое системой, направлено противоположно внешнему полю. Это приводит к отрицательной магнитной проницаемости материала, содержащего такие элементы. Задавая параметры метаматериальной системы, можно получить отрицательный магнитный отклик в достаточно широком диапазоне частот волн.

Мета – здание

Мечта конструкторов – построить систему, в которой волны идеально обтекали бы объект (7). В 2008 году ученые Калифорнийского университета в Беркли впервые в истории создали трехмерные материалы, обладающие отрицательным показателем преломления для видимого и ближнего инфракрасного света, изгибающие свет в направлении, противоположном его естественному направлению. Они создали новый метаматериал, объединив серебро с фторидом магния.

Затем разрезают его на матрицу, состоящую из миниатюрных иголок. Явление отрицательного преломления было замечено на длинах волн 1500 нм (ближний инфракрасный диапазон). В начале 2010 года Толга Эргин из Технологического института Карлсруэ и его коллеги из Имперского колледжа Лондона создали невидимый занавес для ближнего света. Исследователи использовали материалы, доступные на рынке.

Они использовали фотонные кристаллы, уложенные на поверхность, чтобы покрыть микроскопический выступ на золотой пластине. Так был создан метаматериал из специальных линз. Линзы напротив горба на пластине расположены таким образом, что, отклоняя часть световых волн, они устраняют рассеяние света на выпуклости. Наблюдая пластину под микроскопом, используя свет с длиной волны, близкой к длине волны видимого света, ученые увидели плоскую пластину.

Позже исследователям из Университета Дьюка и Имперского колледжа Лондона удалось получить отрицательное отражение микроволнового излучения. Для получения этого эффекта отдельные элементы структуры метаматериала должны быть меньше длины волны света. Так что это технически сложная задача, требующая производства очень маленьких структур из метаматериала, соответствующих длине волны света, которую они должны преломлять.

Видимый свет (от фиолетового до красного) имеет длину волны от 380 до 780 нанометров (нанометр равен одной миллиардной части метра). На помощь пришли специалисты по нанотехнологиям из шотландского университета Сент-Эндрюс. Они получили один слой метаматериала с чрезвычайно плотной сеткой. На страницах журнала New Journal of Physics описан метафлекс, способный искривлять длины волн около 620 нанометров (оранжево-красный свет).

В 2012 году группа американских исследователей из Техасского университета в Остине представила совершенно другой трюк с использованием микроволн. Цилиндр диаметром 18 см был покрыт плазменным материалом с отрицательным импедансом, что позволяет манипулировать свойствами. Если он имеет прямо противоположные оптические свойства скрытому объекту, он создает своего рода «негатив».

Таким образом, две волны перекрываются, и объект становится невидимым. В результате материал может искривлять несколько разных частотных диапазонов волны, так что они обтекают объект, сходясь на другой его стороне, что может казаться незаметным стороннему наблюдателю. Теоретические концепции множатся.

Около дюжины месяцев назад в «Advanced Optical Materials» появилась статья о возможно революционном исследовании ученых из Университета Центральной Флориды. Кто знает, не удалось ли им преодолеть существующие ограничения на «шапки-невидимки»Построен из метаматериалов. Согласно опубликованной ими информации, возможно исчезновение объекта в диапазоне видимого света.

7. Теоретические способы искривления света на невидимом объекте

Дебашис Чанда и его команда описывают использование метаматериала с трехмерной структурой. Получить его удалось благодаря т.н. нанотрансферная печать (нТП), выпускающая металлодиэлектрические ленты. Показатель преломления можно изменить методами наноинженерии. Путь распространения света должен контролироваться в трехмерной структуре поверхности материала с использованием метода электромагнитного резонанса.

Ученые весьма осторожны в выводах, но из описания их технологии совершенно ясно, что покрытия из такого материала способны в значительной степени отклонять электромагнитные волны. Кроме того, способ получения нового материала позволяет производить большие площади, что заставляло некоторых уже мечтать о истребителях, покрытых таким камуфляжем, который обеспечивал бы им невидимость полный, от радара до дневного света.

Устройства маскировки с применением метаматериалов или оптических приемов вызывают не фактическое исчезновение объектов, а лишь их невидимость для средств обнаружения, а вскоре, возможно, и для глаза. Однако есть уже и более радикальные идеи. Дженг Йи Ли и Рэй-Куанг Ли из Тайваньского национального университета Цин Хуа предложили теоретическую концепцию квантовой «шапки-невидимки», способной убирать объекты не только из поля зрения, но и из реальности в целом.

Это будет работать аналогично тому, что обсуждалось выше, но вместо уравнений Максвелла будет использоваться уравнение Шредингера. Суть в том, чтобы растянуть поле вероятности объекта так, чтобы оно было равно нулю. Теоретически это возможно в микромасштабе. Однако технологических возможностей изготовления такой крышки ждать придется долго. Аналогично любому «кепка-невидимка«, о чем можно сказать, что она действительно что-то скрывала от нашего взгляда.