Zostań w domu, zamów taniej!
Nie wychodź z domu i zamów online swoje ulubione pisma 20% taniej. Skorzystaj z kodu rabatowego: czytajwdomu

Nowe metamateriały: światło pod kontrolą

Nowe metamateriały: światło pod kontrolą
Mnogość doniesień na temat "metamateriałów" (cudzysłów, bo definicja zaczyna się nieco rozmywać) każe o nich myśleć niemal jako o panaceum na każdy problem, bolączkę i ograniczenie, z którymi boryka się współczesny świat technologii. Najciekawsze ostatnio koncepty dotyczą komputerów optycznych i wirtualnej rzeczywistości.

Jeśli chodzi o hipotetyczne komputery przyszłości, to jako przykłady możemy podać badania specjalistów z izraelskiego Uniwersytetu TAU z Tel Aviwu. Konstruują oni wielowarstwowe nanomateriały, dzięki którym powstać mają komputery optyczne. Z kolei badacze ze szwajcarskiego Instytutu Paula Scherrera zbudowali z miliarda miniaturowych magnesów trójfazową substancję, która potrafi imitować trzy stany skupienia, analogiczne do wody.

Do czego to się może przydać? Izraelczycy chcą budować komputery. Szwajcarzy mówią o transferach i zapisach danych, jak też ogólnie o spintronice.

Trójfazowy metamateriał z minimagnesów, imitujący trzy stany skupienia wody
Trójfazowy metamateriał z minimagnesów, imitujący trzy stany skupienia wody

 

Fotony na żądanie

Do powstania optycznych komputerów opartych na metamateriałach mogą doprowadzić badania naukowców z Departamentu Energii Lawrence Berkeley National Laboratory. Proponują oni stworzenie pewnego rodzaju laserowego szkieletu, który będzie w stanie uwięzić konkretne pakiety atomów w konkretnym miejscu, kreując ściśle zaprojektowaną, kontrolowaną strukturę opartą na świetle. Przypomina ona naturalnie występujące kryształy. Z jedną różnicą - jest praktycznie doskonała, nie występują w niej wady obserwowane w naturalnych materiałach.

Naukowcy wierzą, że będą w stanie nie tylko ściśle kontrolować położenie grup atomów w swoim "świetlnym krysztale", ale także za pomocą innego lasera (bliskiej podczerwieni) aktywnie wpływać na zachowanie poszczególnych atomów. Zmuszą je np. do wypromieniowania określonej energii na żądanie - choćby jednego fotonu, który usunięty z jednego miejsca w krysztale będzie mógł wpływać na atom uwięziony w innym. Będzie to swego rodzaju prosta wymiana informacji.

Zdolność do szybkiego kontrolowanego uwalniania fotonu i jego transmisji z niskimi stratami z jednego atomu do drugiego jest istotnym etapem przetwarzania informacji dla obliczeń kwantowych. Można wyobrazić sobie użycie całych zespołów kontrolowanych fotonów do wykonywania bardzo skomplikowanych obliczeń - znacznie szybciej niż przy użyciu obecnych komputerów. Atomy osadzone w sztucznym krysztale mogłyby również przeskakiwać z jednego miejsca do innego. W tym przypadku same stałyby się nośnikiem informacji w kwantowym komputerze, albo mogłyby stworzyć kwantowy czujnik.

Naukowcy odkryli, że do ich celów idealnie nadają się atomu rubidu. Jednak atomy baru, wapnia lub cezu również mogą być uwięzione w sztucznym laserowym krysztale, gdyż wykazują podobne poziomy energii. Aby wykonać proponowany metamateriał w realnym doświadczeniu, zespół naukowy będzie musiał zamknąć kilka atomów w sztucznej sieci krystalicznej i utrzymać je w niej, nawet kiedy zostaną one pobudzone do wyższych stanów energetycznych.

 

Wirtualna rzeczywistość bez wad optycznych

Metamateriały i nanotechnologie mogłyby znaleźć pożyteczne zastosowanie w innej rodzącej się dopiero dziedzinie technologii - wirtualnej rzeczywistości. VR trapiona jest przez wiele różnych ograniczeń. Niebagatelną rolę odgrywają niedoskonałości znanej nam optyki. Praktycznie niemożliwe jest zbudowanie perfekcyjnego układu optycznego, bo zawsze występują tzw. aberracje, czyli zniekształcenia fali spowodowane różnymi czynnikami. Znamy aberracje sferyczne, chromatyczne, astygmatyzm, komę i wiele, wiele innych niekorzystnych efektów działania optyki. Kto używał zestawów wirtualnej rzeczywistości, ten zapewne z tymi zjawiskami miał do czynienia. Nie da się zaprojektować optyki dla VR, która byłaby lekka, odwzorowywała obraz wysokiej jakości, nie miała widocznej tęczy (aberracji chromatycznej), dawała duże pole widzenia i do tego byłaby tania. To po prostu nierealne.

Dlatego producenci sprzętu VR - Oculus i HTC - stosują tzw. soczewki Fresnela. Pozwala to uzyskać znacznie mniejszą wagę, wyeliminować aberracje chromatyczne oraz uzyskać w miarę niską cenę (materiał do produkcji takich soczewek jest tani). Niestety, załamujące światło pierścienie powodują w soczewkach Fresnela spory spadek kontrastu i wytwarzają odśrodkową poświatę, która szczególnie widoczna jest tam, gdzie scena ma duży kontrast (czarne tło).

Jednak niedawno naukowcom z Uniwersytetu Harvarda, pod wodzą Federico Capasso, udało się opracować cienką i płaską soczewkę z wykorzystaniem metamateriałów. Nałożona na szkło warstwa nanostruktury jest cieńsza od ludzkiego włosa (0,002 mm). Nie tylko nie wykazuje typowych wad, ale także daje znacznie lepszą jakość obrazu od drogich układów optycznych.

Światło w metasoczewce
Światło w metasoczewce

Soczewka Capasso, w odróżnieniu od typowych wypukłych soczewek zaginających i rozpraszających światło, zmienia właściwości fali światła za pomocą mikroskopijnych struktur wystających z powierzchni, napylonych na kwarcowe szkło. Każda taka wypustka załamuje światło w inny sposób, zmieniając jego kierunek. Dlatego istotne jest odpowiednie rozłożenie takiej nanostruktury (wzór), którą projektuje się na komputerze i wytwarza metodami podobnymido procesorów komputerowych. To oznacza, że tego typu soczewki mogą być produkowane w tych samych fabrykach co dotąd, przy dobrze znanych procesach technologicznych. Do napylania użyty jest dwutlenek tytanu.

Inne nowatorskie rozwiązanie z dziedziny "metaoptyki", o którym warto wspomnieć, to hipersoczewki metamateriałowe, powstałe na amerykańskim Uniwersytecie w Buffalo. Pierwsze wersje hipersoczewek tworzono ze srebra i materiału dielektrycznego, jednak funkcjonowały jedynie w bardzo wąskim zakresie fal. Naukowcy z Buffalo zastosowali koncentryczny układ ze złotych pręcików w termoplastycznej obudowie. Działa on w zakresie fal światła widzialnego. Badacze obrazują wzrost rozdzielczości, jaki następuje dzięki zastosowaniu nowego rozwiązania, na przykładzie endoskopu medycznego. Normalnie rozpoznaje on obiekty do 10 tys. nanometrów, zaś po zamontowaniu hipersoczewek "schodzi" do 250 nanometrów. Konstrukcja przezwycięża problem dyfrakcji, zjawiska, które znacznie ogranicza zdolność rozdzielczą układów optycznych - powoduje, że zamiast zniekształceń fal następuje ich konwersja na fale, które mogą zostać zarejestrowane w kolejnych urządzeniach optycznych.

Według publikacji w "Nature Communications", technika ta mogłaby znaleźć zastosowanie w wielu dziedzinach, od medycyny po fizykę i chemię, pozwalając m.in. na obserwacje pojedynczych cząsteczek. Wypada zaczekać na konkretne urządzenia oparte na metamateriałach. Być może pozwolą wirtualnej rzeczywistości odnieść wreszcie prawdziwy sukces. Co zaś się tyczy "optycznych komputerów", są to wciąż dość odległe i mgliste perspektywy. Niczego jednak nie można wykluczyć…

Przeczytaj także
Magazyn