Здольнасць згінаць святло вакол аб'екта і паказваць фон, які паступае святло з любых ракурсаў і адлегласцей можа стаць рэальным дзякуючы сумесным дасягненням метаматэрыялаў, наналентаў і оптыкі пераўтварэння. Малюнак: Універсітэт Рочэстэра.

Маюцца прылады маскіроўкі? Святло ў форме металенаў можа весці шлях

Спалучэнне нанатэхналогій дзвюх розных разнавіднасцяў можа стаць зменай гульняў, пра якую мы заўсёды марылі.

Пакуль людзі пісалі пра фантастыку, міф і навуковую фантастыку, мара аб нябачнасці заўсёды была галоўнай задачай. У той час як Star Trek прыносіў ідэю маскіроўкі прылады ў папулярную свядомасць, самае блізкае, што мы дасягнулі, было праз развіццё тэхналогіі стэлс. Нябачнасць да радыёлакатара, які з'яўляецца электрамагнітным выпраменьваннем доўгай даўжыні хвалі, можа стаць першым крокам, але нядаўнія распрацоўкі метаматэрыялаў яшчэ больш пашырылі гэта, згінаючы святло вакол аб'екта і робячы яго сапраўды непрыкметным. Раней на гэтым тыдні новы матэрыял пад назвай шырокапалосны ахроматычны метален упершыню ахапіў увесь спектр бачнага святла. Зліццё гэтай тэхналогіі з маскіроўкай метаматэрыялу можа дазволіць першае прылада для маскіроўкі бачнага святла. Вось гісторыя.

Згінаючы святло вакол аб'екта, навука аб оптыцы пераўтварэння можа даць магчымасць працаваць першай, 3D-маскіроўцы. Новы поспех у металензе, калі паспяхова прымяніць, можа падоўжыць плашч да часткі бачнага святла спектру. Крэдыт малюнка: Hyperstealth Biotechnology.

У звычайных абставінах, калі вы бамбіце любы матэрыял матэрыялам любой даўжыні хвалі, тыповыя паводзіны - гэта альбо паглынанне, альбо адлюстраванне. Калі святло паглынаецца, то любое фонавае святло і сігналы будуць затушованы, папярэджваючы аб яго наяўнасці. (Іншымі словамі, аб'ект не будзе празрыстым.) Калі святло адлюстроўваецца, любы сігнал, які вы пасылаеце, будзе адбівацца назад, асвятляючы аб'ект і дазваляючы вам назіраць яго непасрэдна. У той час як стэл-тэхналогія мінімізуе адбівальную здольнасць, праўдзівая «маскіравальная прылада» будзе перанакіраваць святло вакол аб'екта з усіх бакоў, каб хто-небудзь з любой кропкі проста бачыў фонавыя сігналы, як быццам прыкрыты аб'ект зусім не быў.

Крыху больш за дзесяць гадоў таму былі распрацаваны першыя пласты 2D, якія хавалі прадметы пры поўным аглядзе. Сёння мы працуем над сапраўдным 3D плашчом. Імідж: Ігар Смалянінаў / Мэрылендскі ўніверсітэт.

Распрацавана спецыяльнае шматслаёвае пакрыццё рэчывы, вядомага як метаматэрыял, які дазваляе электрамагнітнаму выпраменьванню свабодна праходзіць вакол аб'екта. Гэта адрозніваецца ад празрыстасці, калі святло прапускае праз матэрыял; структура метаматэрыялу накіроўвае святло вакол аб'екта, адпраўляючы яго без усялякага руху ў тым самым кірунку, у якім ён прыйшоў. З 2006 года навука аб оптыцы пераўтварэння дазволіла нам адлюстраваць электрамагнітнае поле на скручанай, касмічнай сетцы; калі сетка скажаецца, як і поле, і ў правільнай канфігурацыі ўнутраны аб'ект можа быць цалкам схаваны. Згінаючы і потым не выгінаючы святло на належную колькасць, аб'екты могуць маскіравацца да пэўнай даўжыні хвалі святла. Па стане на 2016 год, 7-слойны метаматэрыяльны плашч пашырыў дыяпазон ад інфрачырвонага да канца радыёчастотнага спектру.

Злева: папярочны перасек бясконца доўгага цыліндру PEC з улікам плоскай хвалі. Можна назіраць раскіданыя палі. Справа: двухмерны плашч, распрацаваны з выкарыстаннем методыкі трансфармацыі оптыкі, выкарыстоўваецца для плашчы цыліндру. У гэтым выпадку рассейвання не адбываецца, і цыліндр электрамагнітна нябачны. Малюнак: Physicsch / Wikimedia Commons.

З метаматэрыяламі звязана поле металензаў. Большасць звычайных матэрыялаў, з якіх можна стварыць лінзу, мае такую ​​ж дысперсійную ўласцівасць, як і прызма: калі прапускаеш праз яе святло, святло запавольваецца. Але святло рознай даўжыні хвалі запавольваецца ў розных колькасцях, і таму вы атрымліваеце эфект "вясёлкі", калі святло праходзіць праз сераду, так як чырвонае святло рухаецца з іншай хуткасцю, чым сіні. Пакрыцці можна наносіць на акуратныя формы лінзаў, каб паспрабаваць мінімізаваць гэты эфект храматычнай аберацыі, але ён заўсёды прысутнічае ў нейкай колькасці. Сучасныя камеры выкарыстоўваюць некалькі аб'ектываў, каб максімальна выключыць храматычную аберацыю, але гэта цяжка, грувастка, дорага і не на 100% паспяхова.

Паводзіны белага святла, які праходзіць праз прызму, дэманструе, як святло розных энергій рухаецца з рознай хуткасцю праз асяроддзе, але не праз вакуум. Малюнак: Універсітэт Аёвы.

Метален, у ідэале, мог бы фарміраваць хвасты фронтаў незалежна ад даўжыні хвалі, што дазваляла б засяроджвацца да адной кропкі нават на самай маленькай шкале. Металены могуць быць вельмі тонкімі (парадку адной даўжыні хвалі святла), іх лёгка вырабіць, і яны могуць засяроджваць святло рознай даўжыні хвалі на адну і тую ж кропку. Нядаўні прарыў, апублікаваны ў Nature Nanotechnology, адбываецца шляхам прымянення нанафінаў на аснове тытана. Зыходзячы з даўжыні хвалі падаючага святла, гэтыя нанафіны будуць накіроўваць святло праз іншую частку матэрыялу, што дазваляе яму згінацца роўна належным, неабходным колькасцю, каб ён змог там, дзе нам гэта трэба.

Дзякуючы новай тэхналогіі, звязанай з новымі металенамі, святло з усяго спектру можа быць сканцэнтравана на адной кропцы, фактычна выключаючы храматычную аберацыю. Малюнак: Джарэд Сіслер / Гарвардскі SEAS.

Адразу гэта робіць больш танным, больш лёгкім і эфектыўным аб'ектыў. Як тлумачыць Вэй Цін Чэнь:

Спалучаючы два нанафіны ў адзін элемент, мы можам наладзіць хуткасць святла ў наноструктураваным матэрыяле, каб гарантаваць, што ўсе даўжыні хваль на бачным факусуюць у адным месцы, выкарыстоўваючы адзін метален. Гэта рэзка памяншае таўшчыню і складанасць канструкцыі ў параўнанні са складанымі стандартнымі ахроматычнымі лінзамі.

У той час як непасрэднае прымяненне гэтых металензаў павінна ўключаць камеры, VR-прыборы, мікраскопы і іншыя медыкаментозныя і дапаўняльныя тэхналогіі, больш доўгае зліццё канцэпцыі метален / нанафін з метаматэрыяламі можа стаць менавіта святым граалам, якога патрабуе прылада для маскіроўкі.

Дзякуючы сіле металенаў, які паступае святло з усяго спектру ўздоўж шырокай вобласці можа быць сканцэнтраваны ўніз. Калі гэты святло можа быць сагнуты вакол аб'екта, дэцэнтраваны і адпраўлены ў першапачатковым кірунку, у нас будзе сапраўдная прылада маскіроўкі. Малюнак: WT Chen et al., Nature Nanotechnology (2018), doi: 10.1038 / s41565–017–0034–6.

Самай вялікай праблемай, якая стаіць перад плашчом ў рэальным жыцці, стала ўключэнне вялікай колькасці хваль, бо матэрыял плашча павінен змяняцца ад кропкі да кропкі, каб сагнуць (а потым разгарнуць) святло на належную колькасць. Зыходзячы з матэрыялаў, выяўленых дагэтуль, нам яшчэ не ўдалося пракрасціся плашчом бачнага святла. Аднак гэты новы прагрэс у металензах паказвае на тое, што калі вы можаце зрабіць гэта для адной вузкай даўжыні хвалі, вы можаце ўжыць гэтую нанафінавую тэхналогію, каб значна павялічыць даўжыню хвалі. Гэта першае прымяненне да ахраматычных лінзаў ахоплівала практычна ўвесь спектр бачнага святла (ад 470 да 670 нм), і зліццё гэтага з дасягненнямі метаматэрыялаў дазволіла б зрабіць прылады маскавання бачнага святла рэальнасцю.

Згінанне святла і факусоўка яго да такой кропкі, незалежна ад даўжыні хвалі ці месца яе падзення на паверхні, - гэта адзін з ключавых крокаў на шляху да сапраўднага прыкрыцця прылады. Спалучэнне металензаў і метаматэрыялаў можа зрабіць гэтую фантастычную мару рэальнасцю. Малюнак: M. Khorasaninejad і інш., Nano Lett., 2017, 17 (3) с. 1819–1824.

Яшчэ некалькі гадоў таму было выказана здагадка, што плашч-нябачнік у рэальным жыцці можа быць нанесены толькі на вельмі вузкі набор даўжынь хваль для некалькіх канкрэтных канфігурацый. Немагчыма было думаць, што вялікія макраскапічныя прадметы могуць маскіравацца да велізарнай мноства даўжынь хваль. Сёння прасоўванне металенз, накіраванне святла рознай даўжыні хвалі на правільнае месца, каб атрымаць вынікі, якія не маюць скажэнняў, якіх мы так горача жадаем, можа стаць проста адкрыццём, якое нам трэба прадвесціць пра прыход сапраўднага маскіравальнага прылады. Паколькі Star Trek упершыню прадугледзеў гэта, спатрэбіліся стагоддзі, каб тэхналогія маскіроўкі была ўдасканалена. Тут, на Зямлі, можа спатрэбіцца ўсяго дзесяць-два. Калі гэты найноўшы металічны загадзя можна хутка прымяніць да плашчаў метаматэрыялаў, аптычны, 3D-маскіравальны прыбор можа стаць рэальнасцю ў бліжэйшай будучыні чалавецтва.

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан з'яўляецца аўтарам дзвюх кніг "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву".