"כובעי אי-נראות" עדיין בלתי נראים
האחרונה בסדרה של "גלימות של אי-נראות" היא זו שנולדה באוניברסיטת רוצ'סטר (1), המשתמשת במערכת האופטית המתאימה. עם זאת, הספקנים קוראים לזה סוג של טריק אשליה או אפקט מיוחד, שבו מערכת עדשות חכמה שוברת אור ומטעה את ראייתו של המתבונן.
יש איזו מתמטיקה די מתקדמת מאחורי הכל - מדענים צריכים להשתמש בה כדי למצוא איך להגדיר את שתי העדשות כך שהאור ישבר בצורה כזו שיוכלו להסתיר את האובייקט ישירות מאחוריהן. הפתרון הזה עובד לא רק כשמסתכלים ישירות על העדשות - מספיקה זווית של 15 מעלות או אחרת.
1. "כובע בלתי נראה" מאוניברסיטת רוצ'סטר.
זה יכול לשמש במכוניות כדי למנוע כתמים עיוורים במראות או בחדרי ניתוח, ולאפשר למנתחים לראות דרך הידיים שלהם. זה עוד אחד בסדרה ארוכה של גילויים על טכנולוגיה בלתי נראיתשהגיעו אלינו בשנים האחרונות.
ב-2012 כבר שמענו על "מכסת ההיעלמות" מאוניברסיטת דיוק האמריקאית. רק הסקרנים ביותר קראו אז שמדובר באי-נראות של גליל קטן בשבר זעיר של ספקטרום המיקרוגל. שנה קודם לכן, פקידי Duke דיווחו על טכנולוגיית התגנבות סונאר שעשויה להיראות מבטיחה בחוגים מסוימים.
למרבה הצער, זה היה חוסר נראות רק מנקודת מבט מסוימת ובהיקף מצומצם, מה שהפך את הטכנולוגיה ללא שימוש מועט. בשנת 2013, המהנדסים הבלתי נלאים ב-Duke הציעו מכשיר מודפס בתלת מימד שהסווה אובייקט שהונח בתוכו עם חורים מיקרו במבנה (3). אולם, שוב, זה קרה בטווח מצומצם של גלים ורק מנקודת מבט מסוימת.
בצילומים שפורסמו באינטרנט נראתה הכף של חברת Hyperstealth הקנדית מבטיחה, שב-2012 פורסמה בשם המסקרן Quantum Stealth (3). למרבה הצער, אבות טיפוס עובדים מעולם לא הוכחו, וגם לא הוסבר כיצד זה עובד. החברה מציינת בעיות אבטחה כסיבה ומדווחת בסתירה שהיא מכינה גרסאות סודיות של המוצר עבור הצבא.
צג קדמי, מצלמה אחורית
ראשון מודרניכובע אי-נראות» הוצג לפני עשר שנים על ידי המהנדס היפני פרופ. Susumu Tachi מאוניברסיטת טוקיו. הוא השתמש במצלמה שהוצבה מאחורי אדם לבוש במעיל שהיה גם מוניטור. התמונה מהמצלמה האחורית הוקרנה עליה. האיש העטוף היה "בלתי נראה". טריק דומה משמש את מכשיר ההסוואה של הרכב Adaptiv שהוצג בעשור הקודם על ידי BAE Systems (4).
הוא מציג תמונת אינפרא אדום "מאחור" על שריון הטנק. מכונה כזו פשוט לא נראית במכשירי ראייה. הרעיון של מיסוך חפצים התגבש בשנת 2006. ג'ון פנדרי מאימפריאל קולג' בלונדון, דיוויד שוריג ודיוויד סמית' מאוניברסיטת דיוק פרסמו את התיאוריה של "אופטיקת טרנספורמציה" בכתב העת Science והציגו כיצד היא פועלת במקרה של גלי מיקרו (אורכי גל ארוכים יותר מאשר אור נראה).
2. "כובע אי-נראות" מודפס בתלת מימד.
בעזרת מטא-חומרים מתאימים, ניתן לכופף גל אלקטרומגנטי בצורה כזו שיעקוף את העצם הסובב ויחזור לנתיבו הנוכחי. הפרמטר המאפיין את התגובה האופטית הכללית של המדיום הוא מקדם השבירה, שקובע כמה פעמים איטי יותר מאשר בוואקום, האור נע בתווך זה. אנו מחשבים אותו כשורש התוצר של חדירות חשמלית ומגנטית יחסית.
חדירות חשמלית יחסית; קובע כמה פעמים כוח האינטראקציה החשמלית בחומר נתון קטן מכוח האינטראקציה בוואקום. לכן, זהו מדד למידת העוצמה של המטענים החשמליים בתוך חומר מגיבים לשדה חשמלי חיצוני. לרוב החומרים יש פרמיטטיביות חיובית, כלומר לשדה המשתנה על ידי החומר עדיין יש משמעות זהה לשדה החיצוני.
החדירות המגנטית היחסית m קובעת כיצד השדה המגנטי משתנה בחלל המלא בחומר נתון, בהשוואה לשדה המגנטי שהיה קיים בוואקום עם אותו מקור שדה מגנטי חיצוני. עבור כל החומרים המופיעים באופן טבעי, החדירות המגנטית היחסית חיובית. עבור מדיה שקופה כגון זכוכית או מים, כל שלוש הכמויות חיוביות.
לאחר מכן האור, העובר מוואקום או אוויר (פרמטרי אוויר שונים רק מעט מוואקום) אל התווך, נשבר על פי חוק השבירה והיחס בין הסינוס של זווית השבירה לסינוס של זווית השבירה הוא שווה למקדם השבירה של המדיום הזה. הערך קטן מאפס; ו-m פירושו שהאלקטרונים בתוך המדיום נעים בכיוון ההפוך לכוח שנוצר מהשדה החשמלי או המגנטי.
זה בדיוק מה שקורה במתכות, שבהן גז האלקטרונים החופשי עובר תנודות משלו. אם התדירות של גל אלקטרומגנטי לא עולה על התדירות של תנודות אלקטרונים טבעיות אלו, אזי תנודות אלו מסנות את השדה החשמלי של הגל בצורה כה יעילה עד שהן אינן מאפשרות לו לחדור לעומק המתכת ואף ליצור שדה המכוון הפוך. לשדה החיצוני.
כתוצאה מכך, המתירנות של חומר כזה היא שלילית. לא מסוגלת לחדור לעומק המתכת, קרינה אלקטרומגנטית מוחזרת מפני השטח של המתכת, והמתכת עצמה מקבלת ברק אופייני. מה אם שני סוגי ההיתר היו שליליים? שאלה זו נשאלה בשנת 1967 על ידי הפיזיקאי הרוסי ויקטור וסלגו. מסתבר שמקדם השבירה של מדיום כזה הוא שלילי והאור נשבר בצורה שונה לחלוטין מהנובע מחוק השבירה הרגיל.
5. שבירה שלילית על פני השטח של מטא-חומר - הדמיה
אז האנרגיה של הגל האלקטרומגנטי מועברת קדימה, אבל המקסימום של הגל האלקטרומגנטי נע בכיוון ההפוך לצורת הדחף והאנרגיה המועברת. חומרים כאלה אינם קיימים בטבע (אין חומרים בעלי חדירות מגנטית שלילית). רק בפרסום משנת 2006 שהוזכר לעיל ובפרסומים רבים אחרים שנוצרו בשנים שלאחר מכן, ניתן היה לתאר ולפיכך לבנות מבנים מלאכותיים בעלי מקדם שבירה שלילי (5).
הם נקראים מטא-חומרים. הקידומת היוונית "מטה" פירושה "אחרי", כלומר, מדובר במבנים העשויים מחומרים טבעיים. מטא-חומרים רוכשים את המאפיינים הדרושים להם על ידי בניית מעגלים חשמליים זעירים המחקים את התכונות המגנטיות או החשמליות של החומר. למתכות רבות יש חדירות חשמלית שלילית, ולכן מספיק להשאיר מקום לאלמנטים שנותנים תגובה מגנטית שלילית.
במקום מתכת הומוגנית, הרבה חוטי מתכת דקים מסודרים בצורה של רשת מעוקבת מחוברים לצלחת של חומר בידוד. על ידי שינוי קוטר החוטים והמרחק ביניהם, ניתן להתאים את ערכי התדר שבהם למבנה תהיה חדירות חשמלית שלילית. כדי להשיג חדירות מגנטית שלילית במקרה הפשוט ביותר, העיצוב מורכב משתי טבעות שבורות עשויות מוליך טוב (למשל, זהב, כסף או נחושת) ומופרדות בשכבה של חומר אחר.
מערכת כזו נקראת מהוד טבעת מפוצלת - בקיצור SRR, מאנגלית. מהוד טבעת מפוצלת (6). בגלל הפערים בטבעות והמרחק ביניהן יש לו קיבול מסוים, כמו קבל, ומכיוון שהטבעות עשויות מחומר מוליך, יש לו גם השראות מסוימת, כלומר. יכולת לייצר זרמים.
שינויים בשדה המגנטי החיצוני מהגל האלקטרומגנטי גורמים לזרם לזרם בטבעות, וזרם זה יוצר שדה מגנטי. מסתבר שעם תכנון מתאים, השדה המגנטי שיוצרת המערכת מכוון מנוגד לשדה החיצוני. כתוצאה מכך נוצרת חדירות מגנטית שלילית של חומר המכיל אלמנטים כאלה. על ידי קביעת הפרמטרים של מערכת המטא-חומר, ניתן לקבל תגובה מגנטית שלילית בטווח רחב למדי של תדרי גלים.
meta - בניין
חלומם של המעצבים הוא לבנות מערכת שבה הגלים יזרמו באופן אידיאלי סביב האובייקט (7). בשנת 2008, מדענים מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי, לראשונה בהיסטוריה, יצרו חומרים תלת-ממדיים בעלי מקדם שבירה שלילי לאור הנראה והקרוב לאינפרא אדום, מכופפים את האור בכיוון המנוגד לכיוון הטבעי שלו. הם יצרו מטא-חומר חדש על ידי שילוב של כסף עם מגנזיום פלואוריד.
ואז הוא נחתך למטריצה המורכבת ממחטים מיניאטוריות. תופעת השבירה השלילית נצפתה באורכי גל של 1500 ננומטר (ליד אינפרא אדום). בתחילת 2010, טולגה ארגין מהמכון הטכנולוגי של קרלסרוהה ועמיתיו באימפריאל קולג' בלונדון יצרו בלתי נראה וילון אור. החוקרים השתמשו בחומרים הקיימים בשוק.
הם השתמשו בגבישים פוטוניים שהונחו על משטח כדי לכסות בליטה מיקרוסקופית על לוח זהב. אז המטא-חומר נוצר מעדשות מיוחדות. העדשות שממול לגיבנת בצלחת ממוקמות בצורה כזו שבהסטת חלק מגלי האור הן מבטלות את פיזור האור על הבליטה. על ידי התבוננות בצלחת תחת מיקרוסקופ, תוך שימוש באור עם אורך גל קרוב לזה של האור הנראה, המדענים ראו צלחת שטוחה.
מאוחר יותר, חוקרים מאוניברסיטת דיוק ומאימפריאל קולג' בלונדון הצליחו להשיג השתקפות שלילית של קרינת מיקרוגל. כדי להשיג אפקט זה, אלמנטים בודדים של המבנה המטא-חומרי חייבים להיות קטנים מאורך הגל של האור. אז זה אתגר טכני שדורש ייצור של מבנים מטא-חומריים קטנים מאוד התואמים את אורך הגל של האור שהם אמורים לשבור.
לאור הנראה (סגול עד אדום) אורך גל של 380 עד 780 ננומטר (ננומטר הוא מיליארדית המטר). ננו-טכנולוגים מהאוניברסיטה הסקוטית של סנט אנדרוס הגיעו לעזרה. הם קיבלו שכבה אחת של מטא-חומר בעל רשת צפופה במיוחד. העמודים של New Journal of Physics מתארים מטאפלקס המסוגל לכופף אורכי גל של כ-620 ננומטר (אור כתום-אדום).
בשנת 2012, קבוצה של חוקרים אמריקאים מאוניברסיטת טקסס באוסטין העלתה טריק אחר לגמרי באמצעות מיקרוגל. צילינדר בקוטר 18 ס"מ היה מצופה בחומר פלזמה עם עכבה שלילית, המאפשר מניפולציה של המאפיינים. אם יש לו בדיוק את התכונות האופטיות ההפוכות מהאובייקט המוסתר, זה יוצר סוג של "שלילי".
לפיכך, שני הגלים חופפים והאובייקט הופך לבלתי נראה. כתוצאה מכך, החומר יכול לכופף כמה טווחי תדרים שונים של הגל כך שהם זורמים סביב העצם, מתכנסים לצד השני שלו, מה שאולי לא מורגש לצופה מבחוץ. מושגים תיאורטיים הולכים ומתרבים.
לפני כתריסר חודשים פרסם Advanced Optical Materials מאמר על מחקר אולי פורץ דרך של מדענים מאוניברסיטת מרכז פלורידה. מי יודע אם הם לא הצליחו להתגבר על ההגבלות הקיימות על "כובעים בלתי נראים» בנוי ממטא-חומרים. על פי המידע שפרסמו, היעלמות החפץ בטווח האור הנראה עלולה עלולה להיות.
7. דרכים תיאורטיות לכיפוף אור על עצם בלתי נראה
דבשיס צ'אנדה והצוות שלו מתארים את השימוש במטא-חומר בעל מבנה תלת מימדי. אפשר היה להשיג את זה בזכות מה שנקרא. הדפסת ננו-העברה (NTP), המייצרת קלטות מתכת-דיאלקטריות. ניתן לשנות את מקדם השבירה בשיטות ננו-הנדסה. יש לשלוט על נתיב התפשטות האור במבנה פני השטח התלת מימדי של החומר בשיטת תהודה אלקטרומגנטית.
מדענים זהירים מאוד במסקנותיהם, אך מתיאור הטכנולוגיה שלהם ברור למדי שציפויים של חומר כזה מסוגלים להסיט גלים אלקטרומגנטיים במידה רבה. בנוסף, אופן קבלת החומר החדש מאפשר ייצור של שטחים גדולים, מה שהוביל חלק לחלום על לוחמים המכוסים בהסוואה כזו שתספק להם חוסר נראות שלם, ממכ"ם לאור יום.
מכשירי הסתרה המשתמשים במטא-חומרים או בטכניקות אופטיות אינם גורמים להיעלמות ממשית של עצמים, אלא רק לאי-נראות שלהם לכלי זיהוי, ובקרוב, אולי, גם לעין. עם זאת, יש כבר רעיונות קיצוניים יותר. ג'נג יי לי וריי-קואנג לי מאוניברסיטת טסינג הואה הלאומית בטייוואן הציעו רעיון תיאורטי של "מכסה של אי-נראות" קוונטי שיכול להסיר אובייקטים לא רק משדה הראייה, אלא גם מהמציאות כולה.
זה יעבוד בדומה למה שנדון לעיל, אבל משוואת שרדינגר תשמש במקום המשוואות של מקסוול. הנקודה היא למתוח את שדה ההסתברות של האובייקט כך שיהיה שווה לאפס. תיאורטית, זה אפשרי בקנה מידה מיקרו. עם זאת, ייקח הרבה זמן לחכות לאפשרויות הטכנולוגיות של ייצור כיסוי כזה. כמו כל "כובע אי-נראות"מה שאפשר לומר שהיא באמת הסתירה משהו מהראייה שלנו.
