Czapki niewidki. Już istnieją, choć możemy ich nie widzieć
Nie należy zapominać, że wstępem do współczesnych badań nad czapkami niewidkami były opracowywane głównie dla wojska rozwiązania nazywane z angielska "stealth", które zapewniają skuteczną niewidzialność, albo przynajmniej ograniczone wykrywanie pojazdów latających czy pływających w zakresach fal znacznie większej długości niż spektrum fal świetlnych, w którym postrzegamy wzrokiem.
Niewidzialność dla radarów, czyli w zakresach promieniowania elektromagnetycznego od mikrofal do fal radiowych, stanowiła coś w rodzaju pierwszego kroku. Ostatnie osiągnięcia w dziedzinie metamateriałów idą znacznie dalej, pozwalając na zaginanie światła wokół obiektu i czyniąc go niewykrywalnym także w sensie optycznym.
Za ważne osiągnięcie w tej mierze uchodzi opracowanie w 2018 roku, nowatorskiego rozwiązania zwanego szerokopasmowymi achromatycznymi metasoczewkami. Dzięki niemu po raz pierwszy obiekty stały się niewykrywalny w całym spektrum światła widzialnego. Fuzja tej technologii z maskowaniem metamateriałowym (1), inną młodą dziedzina badań nanotechnologicznych, jak uważają komentatorzy, może w końcu umożliwić powstanie pierwszego urządzenia maskującego całkowicie w zakresie światła widzialnego.
Dążenia naukowców polegają na opracowaniu materiału mającego zdolność do zaginania fal świetlnych wokół obiektu, co prowadzi do tego, że zamiast obiektu widzimy to co jest za nim. Chodzi o to by układ w odpowiedni sposób zaginał światło przychodzące pod dowolnym kątem i z dowolnej odległości, co stanowiło poważne wyzwanie.
Znikanie pod każdym kątem
W normalnych warunkach, kiedy na jakiś materiał pada światło o dowolnej długości fali, typowe zachowanie to absorpcja lub odbicie. Jeśli światło zostanie pochłonięte, wówczas wszelkie sygnały i światło tła zostaną przesłonięte, dając optyczną informację o obecności obiektu. Innymi słowy, obiekt nie jest przezroczysty. Jeśli światło jest odbijane, to oświetla obiekt, umożliwiając jego bezpośrednią obserwację. Również w tym przypadku obiekt nie jest przezroczysty.
Jedynym sposobem na osiągnięcie rzeczywistej przezroczystości byłoby, gdyby światło przychodzące do nas zza obiektu mogło dotrzeć do nas, tak jakby światło było transmitowane bezpośrednio przez obiekt (2). "Urządzeniem maskującym" w rozumieniu, którym piszemy jest takie rozwiązanie, które mogłoby ukryć materiał, który nie jest z natury przezroczysty, tak, aby każdy obserwator, patrzący z dowolnego miejsca i orientacji, widziałby po prostu sygnały tła, tak jakby zamaskowanego obiektu w ogóle nie było.
Nieco ponad dekadę temu opracowano pierwsze dwuwymiarowe systemy maskujące, które ukrywały obiekty oglądane pod określonym kątem. Dziś pracujemy nad opracowaniem maskowaniem 3D, czyli "znikaniem" pod dowolnym kątem.
W ciągu ostatnich dwóch dekad udało się opracować specjalne, wielowarstwowe powłoki z substancji zwanych metamateriałami, które umożliwiają swobodne przechodzenie promieniowania elektromagnetycznego o określonych długościach fali po trajektorii wokół obiektu. W odróżnieniu od przezroczystości, w której światło przechodzi przez materiał, struktura metamateriałowa kieruje światło po liniach wokół obiektu tak by powróciło do tego samego kierunku, z którego padało zanim "ominęło" obiekt. Przez zaginanie, a następnie rozprostowywanie światła o właściwe wartości, obiekty mogą być maskowane w poszczególnych długościach fal światła.
Od 2006 roku, postępy optyki transformacyjnej pozwoliła nam na odwzorowanie pola elektromagnetycznego na skręconej, przestrzennej siatce - gdy siatka ulega zniekształceniu, zniekształca się również pole, a w odpowiedniej konfiguracji obiekt może zostać całkowicie ukryty. W 2016 roku, siedmiowarstwowa peleryna metamateriałowa poszerzyła zakres działania począwszy od podczerwieni aż po radiowe części widma. Był to szeroki zakres długości fali, który jednak wciąż nie rozciągał się na część optyczną.
Badacze sięgnęli do pokrewnej do technik metamateriałowych dziedziny badań nad metasoczewkami. Soczewki w sensie ogólnym są znane z tego, że światło o różnych długościach fali zwalnia w materiale, z którego jest wykonana soczewka, w różnym stopniu, co powoduje powstawanie efektu "tęczy", czyli aberracji chromatycznej. W optyce tradycyjnej walczy się z tym zjawiskiem za pomocą starannie ukształtowanych soczewek z nakładanymi powłokami. W nowoczesnych aparatach fotograficznych stosuje się wiele soczewek, aby w jak największym stopniu wyeliminować aberrację chromatyczną, ale jest to rozwiązanie ciężkie, nieporęczne, drogie i wciąż nie w 100% skuteczne. W pewnym stopniu efekt ten jest zawsze obecny.
Konstrukcje metasoczewek radzą sobie z tym lepiej. W idealnej sytuacji, kształtują fronty falowe przychodzących fal świetlnych niezależnie od długości fali, pozwalając na skupienie światła w jednym punkcie nawet w najmniejszej skali. Mają wiele innych atrakcyjnych właściwości. Mogą być bardzo cienkie (rzędu pojedynczej długości fali świetlnej) i są łatwe w produkcji.
W pracy z 2018 roku, która została opublikowana w "Nature Nanotechnology", opisano zastosowanie nanopowłok na bazie tytanu, które prowadzą światło, pozwalając mu zgiąć się dokładnie o odp-wiednią wartość, dokładnie taką, jakiej potrzebujemy. "Łącząc dwie nanopowłoki w jeden element, możemy dostroić prędkość światła w nanostrukturalnym materiale w celu skupienia wszystkich długości fal w widzialnym spektrum w tym samym miejscu, przy użyciu pojedynczej metasoczewki. To radykalnie zmniejsza grubość i złożoność konstrukcji w porównaniu do kompozytowych, standardowych soczewek achromatycznych", opisywał osiągnięcie jeden z autorów pracy, Wei Ting Chen.
Choć nowy typ metasoczewek został zaprojektowany pierwotnie głównie z myślą o urządzeniach korzystających z tradycyjnej optyki, kamer, zestawów VR, mikroskopów, itp., to ma ono ogromny potencjał jeśli chodzi o projekt zbudowania optycznej czapki niewidki. Największym bowiem wyzwaniem było tu uwzględnienie dużej różnorodności długości fal, Chociaż metamateriałom udało się uzyskać imponujący zakres pokrycia, to wcześniej wykluczał on światło widzialne. Dodanie do metamateriałów warstwy metasoczewek może ostatecznie pokonać tę przeszkodę.
Bez cudów materiałowych też się daWa
Warto dodać, że techniki metamateriałowe nie są jedynym nurtem badań w dziedzinie dążenia do osiągnięcia "niewidzialności". Naukowcom udało się doprowadzić do zniknięcia także bez "czapki" tzn. bez wykorzystania pokrycia z metamateriału w wielu równych projektach, za pomocą różnorodnych rozwiązań.
Np. w 2015 r. specjaliści z rosyjskiego Uniwersytetu ITMO wraz kolegami z Narodowego Uniwersytetu Australii opracowali nową technikę "znikania" obiektów w zakresie mikrofalowym opartą nie na specjalnych osłonach lecz na nowych odkryciach dotyczących sposobów refrakcji fal. Inspiracją były obserwacje załamywania się fal świetlnych w szklanym cylindrze w którym zmieniające się pod wpływem temperatury wody współczynniki się znoszą wzajemnie. Naukowcy przeprowadzili eksperymenty w zakresach mikrofalowych i doprowadzili do skutecznego zniknięcia obiektu z monitorów detekcyjnych. Uczeni, którzy wyniki swoich badań opublikowali w czasopiśmie "Scientific Reports', twierdzili, że rozszerzenie niewidzialności na zakresy fal widzialnych nie powinno stanowić problemu. Jednak do tej pory nie usłyszeliśmy praktycznych modelach tego typu.
Całkiem niedawno brytyjska firma Shield Co opracowała nową wersję "czapki niewidki", zaskakująco prostej konstrukcji urządzenia maskującego, które wykorzystuje precyzyjnie zaprojektowany układ optyczny do zakrzywiania światła w ten sposób, że ukrywający się za osłoną człowiek lub obiekt jest niewidoczny a widać jedynie tło, choć nieco rozmyte (3).
Znikanie z pola widzenia, niewidzialność, to "kamuflaż ostateczny", który z niecierpliwością wyczekuje wojsko. To w połączeniu z radarowym "stealthem" dałoby ogromną przewagę armii, która taką technikę dostałaby w swoje ręce.
Mirosław Usidus
