מטא-חומרים חדשים: אור בשליטה

הרבה דיווחים על "מטה-חומרים" (במרכאות, כי ההגדרה מתחילה להיטשטש) גורמים לנו לחשוב עליהם כעל כמעט תרופת פלא לכל הבעיות, הכאבים והמגבלות שעומדות בפני עולם הטכנולוגיה המודרני. המושגים המעניינים ביותר לאחרונה נוגעים למחשבים אופטיים ולמציאות מדומה.

לגבי מחשבים היפותטיים של העתידדוגמאות לכך כוללות מחקרים של מומחים מאוניברסיטת TAU הישראלית בתל אביב. הם מתכננים ננו-חומרים רב-שכבתיים שאמורים לשמש ליצירת מחשבים אופטיים. בתורם, חוקרים ממכון פול שרר השוויצרי בנו חומר תלת פאזי ממיליארד מגנטים מיניאטוריים המסוגלים לדמות שלושה מצבים מצטברים, באנלוגיה למים.

למה זה יכול לשמש? הישראלים רוצים לבנות. השוויצרים מדברים על העברת נתונים והקלטה, כמו גם על ספינטרוניקה בכלל.

מטא-חומר מיני מגנט תלת פאזי המחקה את שלושת מצבי המים.

פוטונים לפי דרישה

מחקר של מדענים מהמעבדה הלאומית של לורנס ברקלי במחלקת האנרגיה עשוי להוביל לפיתוח מחשבים אופטיים המבוססים על מטא-חומרים. הם מציעים ליצור מעין מסגרת לייזר שיכולה ללכוד חבילות מסוימות של אטומים במקום מסוים, ליצור מסגרת מתוכננת ומבוקרת בקפדנות. מבנה מבוסס אור. זה מזכיר גבישים טבעיים. בהבדל אחד - הוא כמעט מושלם, לא נצפים פגמים בחומרים טבעיים.

מדענים מאמינים שהם לא רק יוכלו לשלוט בחוזקה על מיקומם של קבוצות אטומים ב"גביש האור" שלהם, אלא גם להשפיע באופן פעיל על התנהגותם של אטומים בודדים באמצעות לייזר אחר (טווח אינפרא אדום קרוב). הם יגרמו להם, למשל, לפי דרישה לפלוט אנרגיה מסוימת - אפילו פוטון בודד, שכאשר יוסר ממקום אחד בגביש, יכול להשפיע על אטום שנלכד באחר. זה יהיה סוג של חילופי מידע פשוטים.

היכולת לשחרר במהירות פוטון בצורה מבוקרת ולהעבירו עם מעט אובדן מאטום אחד לאחר היא שלב חשוב בעיבוד מידע עבור מחשוב קוונטי. אפשר לדמיין שימוש במערכים שלמים של פוטונים מבוקרים כדי לבצע חישובים מורכבים מאוד - הרבה יותר מהר מאשר שימוש במחשבים מודרניים. אטומים המשובצים בגביש מלאכותי יכולים גם לקפוץ ממקום אחד למשנהו. במקרה זה, הם עצמם יהפכו לנשאי מידע במחשב קוונטי או יכולים ליצור חיישן קוונטי.

מדענים מצאו כי אטומי רובידיום הם אידיאליים למטרותיהם. עם זאת, אטומי בריום, סידן או צסיום יכולים להיתפס גם על ידי גביש לייזר מלאכותי מכיוון שיש להם רמות אנרגיה דומות. כדי ליצור את המטא-חומר המוצע בניסוי אמיתי, צוות המחקר יצטרך ללכוד כמה אטומים בסריג קריסטל מלאכותי ולשמור אותם שם גם כאשר הם מתרגשים למצבי אנרגיה גבוהים יותר.

מציאות מדומה ללא פגמים אופטיים

מטא-חומרים יכולים למצוא יישומים שימושיים בתחום מתפתח אחר של טכנולוגיה -. למציאות מדומה יש מגבלות רבות ושונות. פגמי האופטיקה המוכרים לנו משחקים תפקיד משמעותי. זה כמעט בלתי אפשרי לבנות מערכת אופטית מושלמת, כי תמיד יש מה שנקרא סטייות, כלומר. עיוות גל הנגרם על ידי גורמים שונים. אנו מודעים לסטיות כדוריות וכרומטיות, אסטיגמציה, תרדמת ועוד הרבה הרבה השפעות שליליות של אופטיקה. כל מי שהשתמש במערכות מציאות מדומה ודאי התמודד עם התופעות הללו. אי אפשר לעצב אופטיקה של VR קלת משקל, לייצר תמונות באיכות גבוהה, ללא קשת גלויה (סטיות כרומטיות), לתת שדה ראייה גדול וזולה. זה פשוט לא אמיתי.

לכן יצרניות ציוד ה-VR Oculus ו-HTC משתמשות במה שנקרא עדשות Fresnel. זה מאפשר לך לקבל פחות משקל באופן משמעותי, לבטל סטיות כרומטיות ולקבל מחיר נמוך יחסית (החומר לייצור עדשות כאלה זול). למרבה הצער, טבעות שבירה גורמות ל-w עדשות פרנל ירידה משמעותית בקונטרסט ויצירת זוהר צנטריפוגלי, אשר בולט במיוחד כאשר לסצנה יש ניגודיות גבוהה (רקע שחור).

עם זאת, לאחרונה הצליחו להתפתח מדענים מאוניברסיטת הרווארד, בראשות פדריקו קפאסו עדשה דקה ושטוחה באמצעות מטא-חומרים. שכבת הננו-מבנה על זכוכית דקה יותר משערת אדם (0,002 מ"מ). לא רק שאין לו את החסרונות האופייניים, אלא שהוא גם מספק איכות תמונה טובה בהרבה ממערכות אופטיות יקרות.

עדשת הקפאסו, בניגוד לעדשות קמורות טיפוסיות המכופפות ומפזרות אור, משנה את תכונות גל האור עקב מבנים מיקרוסקופיים הבולטים מהמשטח, המופקדים על זכוכית קוורץ. כל מדף כזה שובר את האור בצורה שונה, משנה את הכיוון שלו. לכן, חשוב להפיץ נכון ננו-מבנה (דפוס) כזה שמתוכנן ומיוצר באמצעות שיטות דומות למעבדי מחשב. המשמעות היא שניתן לייצר עדשות מסוג זה באותם מפעלים כמו בעבר, תוך שימוש בתהליכי ייצור ידועים. טיטניום דו חמצני משמש לקפיצה.

ראוי להזכיר עוד פתרון חדשני של "מטה-אופטיקה". עדשות היפר-חומריותנלקח באוניברסיטה האמריקאית בבפאלו. הגרסאות הראשונות של עדשות היפר היו עשויות מכסף ומחומר דיאלקטרי, אך הן עבדו רק בטווח צר מאוד של אורכי גל. מדעני באפלו השתמשו בסידור קונצנטרי של מוטות זהב במארז תרמופלסטי. זה עובד בטווח אורכי הגל של האור הנראה. החוקרים ממחישים את העלייה ברזולוציה הנובעת מהפתרון החדש באמצעות אנדוסקופ רפואי כדוגמה. בדרך כלל הוא מזהה עצמים עד 10 ננומטר, ולאחר התקנת עדשות היפר, הוא "יורד" עד 250 ננומטר. התכנון מתגבר על בעיית הדיפרקציה, תופעה שמפחיתה משמעותית את הרזולוציה של מערכות אופטיות – במקום עיוות גל, הן מומרות לגלים שניתן להקליט במכשירים אופטיים הבאים.

לפי פרסום ב-Nature Communications, ניתן להשתמש בשיטה זו בתחומים רבים, מרפואה ועד תצפיות מולקולה בודדת. ראוי להמתין להתקני בטון המבוססים על מטא-חומרים. אולי הם יאפשרו למציאות המדומה להגיע סוף סוף להצלחה אמיתית. באשר ל"מחשבים אופטיים", אלו עדיין סיכויים די רחוקים ומעורפלים. עם זאת, לא ניתן לשלול דבר...