"Czapki niewidki" wciąż nie widać
Za wszystkim stoi dość zaawansowana matematyka - naukowcy z jej pomocą znaleźć muszą takie ustawienie dwóch soczewek, aby światło zakrzywiane było w sposób pozwalający ukryć obiekt znajdujący się bezpośrednio za nimi. Rozwiązanie to działa nie tylko, gdy patrzymy na soczewki wprost - wystarczy kąt 15 stopni lub inny.
Może znaleźć zastosowanie w samochodach, w celu eliminacji martwej strefy w lusterkach, lub też na salach operacyjnych - pozwalając chirurgom widzieć przez własne dłonie. To kolejna z długiego cyklu rewelacji na temat niewidzialnej technologii, jakie docierają do nas w ostatnich latach.
W 2012 r. słyszeliśmy już o "czapce niewidce" z amerykańskiego Uniwersytetu Duke'a. Tylko ci nieco bardziej dociekliwi doczytywali wówczas, że chodzi o niewidzialność małego cylindra w drobnym fragmencie widma mikrofalowego. Rok wcześniej przedstawiciele Duke'a informowali o technologii niewidzialności dla sonarów, co mogłoby się w niektórych kręgach wydawać obiecującym rozwiązaniem.
Niestety, chodziło o niewidzialność tylko z określonego punktu widzenia i w wąskim zakresie, co czyniło technologię mało przydatną. W 2013 r. niezmordowani inżynierowie z Duke'a zaproponowali wydrukowane w drukarce 3D urządzenie maskujące obiekt umieszczony w środku za pomocą mikrootworów w strukturze (2). Znów jednak działo się to w ograniczonym zakresie fal i tylko z pewnego punktu widzenia.
Na publikowanych w Internecie zdjęciach obiecująco prezentowała się pelerynka kanadyjskiej firmy Hyperstealth, która w 2012 r. była reklamowana pod intrygującą nazwą Quantum Stealth (3). Niestety, nie zademonstrowano nigdy działających prototypów, ani nie wyjaśniono, jak to działa. Firma podaje jako powód kwestie bezpieczeństwa i enigmatycznie informuje o przygotowaniu tajnych wersji produktu dla wojska.
Monitor z przodu, kamerka z tyłu
Pierwszą nowożytną "czapkę niewidkę" zaprezentował dziesięć lat temu japoński inżynier prof. Susumu Tachi z Uniwersytetu Tokijskiego. Wykorzystał kamerę umieszczoną za plecami człowieka ubranego w płaszcz będący jednocześnie monitorem. Wyświetlał obraz z kamery umieszczonej z tyłu. Osoba w płaszczu była "niewidzialna". Podobny trik wykorzystuje urządzenie Adaptiv do kamuflażu pojazdów bojowych, jakie zaprezentował w poprzedniej dekadzie koncern BAE Systems (4).
Na pancerzu czołgu wyświetla ono obraz w podczerwieni "zza pleców". Takiego pojazdu po prostu nie widać w urządzeniach celowniczych. Idea maskowania przedmiotów nabrała realnego kształtu w 2006 r. John Pendry z Imperial College London, David Schurig oraz David Smith z Uniwersytetu Duke'a opublikowali w magazynie "Science" teorię "optyki transformacyjnej" i zaprezentowali, jak to działa w przypadku mikrofal (fal dłuższych niż światło widzialne).
Przy pomocy odpowiednich metamateriałów fala elektromagnetyczna może zostać zakrzywiona tak, aby ominąć otaczany obiekt i wrócić na dotychczasowy tor. Parametrem opisującym sumaryczną optyczną reakcję ośrodka jest współczynnik załamania, określający ile razy wolniej niż w próżni porusza się w danym ośrodku światło. Obliczamy go jako pierwiastek z iloczynu względnej przenikalności elektrycznej i magnetycznej.
Względna przenikalność elektryczna ; określa, ile razy siła oddziaływania elektrycznego w danej substancji jest mniejsza od siły oddziaływania w próżni. Stanowi zatem miarę tego, jak silnie ładunki elektryczne wewnątrz materii reagują na zewnętrzne pole elektryczne. Większość substancji charakteryzuje się dodatnią wartością przenikalności elektrycznej, czyli to zmienione przez substancje pole nadal ma ten sam zwrot co pole zewnętrzne.
Względna przenikalność magnetyczna m określa, jak zmienia się pole magnetyczne w przestrzeni wypełnionej danym materiałem w porównaniu do pola magnetycznego, jakie istniałoby w próżni przy tym samym zewnętrznym źródle pola magnetycznego. Dla wszystkich substancji występujących w przyrodzie względna przenikalność magnetyczna jest dodatnia. Dla ośrodków przezroczystych, takich jak szkło lub woda, wszystkie trzy wymienione wielkości są dodatnie.
Wtedy światło, przechodząc z próżni lub powietrza (powietrze ma tylko nieznacznie inne parametry niż próżnia) do ośrodka, załamuje się, zgodnie z prawem załamania i iloraz sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania jest równy współczynnikowi załamania światła dla danego ośrodka. Mniejsza od zera wartość ; i m oznacza, że elektrony, które są wewnątrz ośrodka, poruszają się w przeciwną stronę niż zwrot działającej na nie siły wytworzonej przez pole elektryczne czy też magnetyczne.
Tak się dzieje w metalach, w których gaz elektronów swobodnych podlega naturalnym drganiom. Jeśli częstotliwość fali elektromagnetycznej nie przekroczy częstotliwości tych własnych drgań elektronów, drgania te na tyle skutecznie ekranują pole elektryczne fali, że nie pozwalają jej wniknąć w głąb metalu, a wręcz wytwarzają pole skierowane przeciwnie do pola zewnętrznego.
W rezultacie przenikalność elektryczna takiego materiału jest ujemna. Nie mogąc wniknąć w głąb metalu, promieniowanie elektromagnetyczne ulega odbiciu od powierzchni metalu, a on sam uzyskuje charakterystyczny połysk. Co by się stało, gdyby oba rodzaje przenikalności były ujemne? Takie pytanie zadał w 1967 r. rosyjski fizyk Wiktor Wiesiełago. Okazuje się, że współczynnik załamania takiego ośrodka jest ujemny i światło załamuje się zupełnie inaczej, niż wynika to ze zwykłego prawa załamania.
Wtedy co prawda energia fali elektromagnetycznej jest przenoszona do przodu, ale maksima fali elektromagnetycznej poruszają się w kierunku przeciwnym do kształtu impulsu i niesionej energii. Takie materiały nie występują w przyrodzie (nie ma substancji z ujemną przenikalnością magnetyczną). Dopiero we wspomnianej publikacji z 2006 r. i w wielu innych powstających w kolejnych latach udało się opisać, i w konsekwencji zbudować, sztuczne struktury mające ujemny współczynnik załamania światła (5).
Nazwano je metamateriałami. Grecki przedrostek "meta" oznacza "po", czyli są to struktury stworzone po naturalnych materiałach. W metamateriałach uzyskuje się potrzebne właściwości, budując maleńkie obwody elektryczne, które naśladują magnetyczne lub elektryczne właściwości materiału. Ujemną przenikalność elektryczną ma bardzo dużo metali, więc wystarczy zostawić miejsce na elementy dające ujemną odpowiedź magnetyczną.
Zamiast jednorodnego metalu montuje się na płytce z materiału izolacyjnego wiele cienkich metalowych drucików, ułożonych w sześcienną kratownicę. Zmieniając średnicę drucików i odległości miedzy nimi, można regulować wartości częstotliwości, dla których struktura będzie miała ujemną przenikalność elektryczną. Aby uzyskać ujemną przenikalność magnetyczną, w najprostszym przypadku konstrukcja składa się z dwóch przerwanych pierścieni, wykonanych z dobrego przewodnika (np. złota lub srebra, ewentualnie miedzi) i rozdzielonych warstwą innego materiału.
Taki układ nazywany jest rozszczepionym rezonatorem kołowym - w skrócie SRR, od angielskiego Split-ring resonator (6). Dzięki przerwom w pierścieniach i odstępowi między nimi ma on pewną pojemność tak jak kondensator, a ponieważ pierścienie wykonane są z materiału przewodzącego, ma też określoną indukcyjność, czyli zdolność do generowania prądów.
Zmiany zewnętrznego pola magnetycznego, których źródłem jest fala elektromagnetyczna, powodują przepływ prądu w pierścieniach, a ten prąd wytwarza pole magnetyczne. Okazuje się, że przy odpowiedniej konstrukcji wytworzone przez układ pole magnetyczne skierowane jest przeciwnie do pola zewnętrznego. Skutkuje to ujemną przenikalnością magnetyczną materiału zawierającego takie elementy. Ustalając parametry układu metamateriału, można uzyskać ujemną odpowiedź magnetyczną w dość szerokim zakresie częstotliwości fal elektromagnetycznych.
Meta - budowanie
Marzeniem konstruktorów jest zbudowanie układu, w którym fale idealnie opływałyby przedmiot (7). W 2008 r. naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley po raz pierwszy w historii stworzyli trójwymiarowe materiały, które mają negatywny indeks refrakcji dla światła widzialnego i bliskiej podczerwieni, czyli zaginający światło w odwrotnym do naturalnego kierunku. Stworzyli nowy metamateriał, łącząc srebro z fluorkiem magnezu.
Następnie ponacinali go tak, by powstała matryca składająca się z miniaturowych igiełek. Zauważono zjawisko ujemnej refrakcji przy falach o długości 1500 nm (bliska podczerwień). Na początku 2010 r. Tolga Ergin z Instytutu Technologicznego w Karlsruhe z kolegami badaczami z Imperial College z Londynu stworzył niewidzialną kurtynkę dla światła zbliżonego do widzialnego. Badacze użyli materiałów dostępnych na rynku.
Do zasłonięcia mikroskopijnego garbu na złotej płytce użyli kryształów fotonicznych ułożonych na powierzchni na kształt stosu. Tak powstał metamateriał ze specjalnych soczewek. Soczewki naprzeciw garbu na płytce zostały tak ustawione, że uginając część fal świetlnych, eliminują rozproszenie światła na wypukłości. Obserwując płytkę pod mikroskopem z użyciem światła fali zbliżonej długością do światła widzialnego, naukowcy zobaczyli płaską płytkę.
Później badaczom z Uniwersytetu Duke'a oraz Imperial College London udało się uzyskać ujemny współczynnik odbicia mikrofal. Aby otrzymać taki efekt, poszczególne elementy struktury metamateriału muszą być mniejsze niż długość fali światła. Jest to więc o tyle trudne technicznie wyzwanie, że wymaga wyprodukowania bardzo małych struktur metamateriału, odpowiadających długości fali światła, którą mają zginać.
Światło widzialne (od fioletu po czerwień) ma długość fali od 380 do 780 nanometrów (nanometr to jedna miliardowa część metra). Z pomocą fizykom przyszli specjaliści od nanotechnologii ze szkockiego University of St Andrews. Uzyskali pojedynczą warstwę metamateriału o wyjątkowo gęstej siatce. Na łamach magazynu "New Journal of Physics" opisany został metaflex, który jest w stanie zaginać fale o długości ok. 620 nanometrów (światło barwy pomarańczowo-czerwonej).
W 2012 r. zespół amerykańskich badaczy z Uniwersytetu Teksasu w Austin zaprezentował zupełnie inny trik z zastosowaniem mikrofal. 18-centymetrowy walec przykryli materiałem plazmowym ujemnoimpendancyjnym, który pozwala na manipulowanie własnościami. Jeśli ma dokładnie przeciwne cechy optyczne niż zasłaniany obiekt, tworzy swoisty "negatyw".
W ten sposób dwie fale się na siebie nakładają i obiekt staje się niewidzialny. Dzięki temu materiał może zakrzywiać kilka różnych zakresów częstotliwości fali, przez co opływają one obiekt, zbiegając się po jego drugiej stronie, który w efekcie dla zewnętrznego obserwatora może wydawać się niewidzialny. Teoretyczne koncepty się mnożą.
Kilkanaście miesięcy temu ukazał się w "Advanced Optical Materials" artykuł o być może rewolucyjnych badaniach naukowców z Uniwersytetu Środkowej Florydy. Kto wie, czy nie udało im się przezwyciężyć dotychczasowych ograniczeń dotyczących "czapek niewidek" konstruowanych z metamateriałów. Z opublikowanych przez nich informacji wynika, że możliwe jest zniknięcie obiektu w zakresie światła widzialnego.
Debashis Chanda i jego zespół opisuje wykorzystanie metamateriału o strukturze trójwymiarowej. Udało się go uzyskać dzięki technice tzw. drukowania nanotransferowego (nTP), w którym powstają taśmy metaliczno-dielektryczne. Metodami nanoinżynierii można modyfikować w nich współczynnik załamania światła. Sposób rozchodzenia się światła kontrolowany ma być w strukturze powierzchni 3D materiału za pomocą techniki rezonansu elektromagnetycznego.
Naukowcy są dość ostrożni w wyciąganiu wniosków, ale z opisu ich technologii dość jasno wynika, że pokrycia z takiego materiału mogą odginać fale elektromagnetyczne w dużym zakresie. Ponadto metoda wytwarzania nowego materiału pozwala na produkcję dużych powierzchni, co sprawiło, że niektórzy już rozmarzyli się o myśliwcach pokrytych takim kamuflażem, który zapewni im niewidzialność całkowitą, od radarów po światło dnia.
Urządzenia maskujące z wykorzystaniem metamateriałów czy technik optycznych nie powodują rzeczywistego znikania obiektów lecz jedynie ich niewidoczność dla urządzeń detekcyjnych, a wkrótce może i dla oka. Są już jednak bardziej radykalne pomysły. Jeng Yi Lee i Ray-Kuang Lee z tajwańskiego Narodowego Uniwersytetu Tsing Hua zaproponowali teoretyczną koncepcję kwantowej "czapki niewidki", która usunąć może obiekty nie tylko z pola widzenia, ale również w ogóle z rzeczywistości.
Działałaby na podobnej zasadzie jak ta, o której piszemy wyżej, ale zamiast równań Maxwella wykorzystywałaby równanie Schrödingera. Rzecz polegałaby na rozciągnięciu pola prawdopodobieństwa występowania obiektu, tak aby wynosiło ono zero. W teorii to możliwe, w mikroskali. Jednak na technologiczne możliwości wykonania takiej osłony trzeba będzie jeszcze długo zaczekać. Podobnie zresztą jak na jakąkolwiek "czapkę niewidkę", o której będzie można powiedzieć, że rzeczywiście ukryła coś przed naszym wzrokiem.
