211service.com
Snazší neviditelnost
V posledním roce se v médiích mluvilo o exotické třídě materiálů, nazývaných metamateriály, které by mohly být použity k výrobě plochých čoček bez zkreslení, výkonných mikroskopů a dokonce maskovacích zařízení, díky nimž jsou objekty neviditelné. Bylo však obtížné vyrobit verze materiálů vhodné pro praktické aplikace. Nyní vědci z Princetonské univerzity prokázali metamateriály, které jsou výkonnější a mnohem jednodušší na výrobu, což možná přibližuje tyto aplikace realitě.
Ohýbací světlo: Nový typ materiálu způsobuje, že se světelné vlny (reprezentované ovály) pohybují způsobem, který je zcela odlišný od způsobu, jakým se pohybují v běžných materiálech.
Je to docela důležitý krok, říká Igor Smoljaninov , vědecký pracovník na University of Maryland, který pracuje s metamateriály. Je to mnohem levnější než cokoli jiného, co lidé dělají.
Světlo procházející z jednoho běžného materiálu do druhého se mírně ohýbá – představte si, jak vypadá rovná tyč ve vodě ohnutá – ale světlo procházející do metamateriálu se ohýbá v opačném směru. Metamateriály tak mají to, co se nazývá negativní index lomu. Čočka vyrobená z takového materiálu by nemusela být zakřivená. (Je to zakřivení běžné čočky, které jí umožňuje soustředit příchozí světlo.) Metamateriály lze také použít ke směrování elektromagnetických vln kolem objektu a učinit jej neviditelným. Vědci již prokázali maskovací zařízení, díky kterému jsou objekty pro mikrovlny neviditelné, a jiní vytvořili materiály, které negativně lámou elektromagnetické vlny ve viditelné části elektromagnetického spektra. Ale až dosud musely být metamateriály vzorovány složitými tvary menšími, než je vlnová délka světla, s nímž mají manipulovat. V důsledku toho bylo obtížné vyrobit materiály, které pracují se světlem mikroskopických vlnových délek, jako je infračervené a viditelné světlo. Kvůli způsobu, jakým vytvářejí negativní lom, mají stávající metamateriály také silnou tendenci absorbovat světlo, což je činí nepraktickými pro použití v optice.
Materiály vyvinuté v Princetonu si zachovávají vlastnost negativního lomu, přesto je mnohem snazší je vyrobit. Spíše než vyžadování složitých struktur, jako jsou dělené kroužky používané v mikrovlnném maskovacím zařízení, mohou být materiály vyrobeny jednoduše naskládáním extrémně tenkých vrstev polovodičového materiálu. A co víc, toto stohování lze provádět stejnými nástroji, které se nyní používají k výrobě polovodičových materiálů pro lasery používané v telekomunikacích, říká Claire Gmachl , výzkumník z Princetonu, který vedl práci. Nové materiály se skládají ze střídajících se vrstev arsenidu india a galia a arsenidu hliníku a india a jsou vyladěny tak, aby fungovaly v infračervené oblasti spektra.
Stejně jako jiné metamateriály ovlivňují nové materiály světlo jinak než běžné materiály, protože jsou vyrobeny ze struktur výrazně menších, než je vlnová délka světla, které jimi prochází. V tomto případě však jde o samotné vrstvy polovodičů, které jsou tenčí než vlnová délka světla. Následně vlna procházející materiálem narazí na několik vrstev najednou a reaguje na ně, jako by to byl jediný materiál s vlastnostmi zcela odlišnými od vlastností obou polovodičů samostatně.
Nové materiály se liší od předchozích metamateriálů v tom, že namísto změny dvou aspektů pohybu světla mění pouze jeden. Pokud je světlo chápáno jako vlna, čelo vlny je kolmé ke směru, kterým se světlo pohybuje. Představte si, že se oceánská vlna řítí na břeh: pohybuje se pouze jedním směrem, ale čelo vlny je obrovská vodní stěna. Předchozí metamateriály změnily směr světelných paprsků, které jimi procházely, a čelo vlny zůstalo kolmé ke směru paprsku. V nových materiálech světelný paprsek mění směr, ale čela vln nikoli, což vyvolává dojem, že spíše sklouzávají do strany, než aby se pohybovaly vpřed. (Viz obrázek níže.)
Když se světelný paprsek pohybuje běžným materiálem, pohybuje se stejným směrem, kterým jsou obráceny světelné vlny (horní část obrázku). Když světelný paprsek vstoupí do nového typu metamateriálu, změní směr, ale vlny zůstanou obráceny stejným směrem a zdá se, že sklouznou do stran (viz spodní polovina obrázku). Tento obrázek je z počítačové simulace.
Kredit: Anthony Hoffman, Princetonská univerzita
Celkový vliv na směr světelného paprsku je stejný jako u dřívějšího metamateriálu, ale nové materiály se jednodušeji vytvářejí a absorbují mnohem méně světla, což je činí atraktivnějšími pro použití v optice.
První aplikací, kterou výzkumníci z Princetonu vyvíjejí, je plochá čočka pro chemická snímací zařízení, což je aplikace, pro kterou se obzvláště dobře hodí materiály, které pracují s infračerveným světlem. Gmachl říká, že současná optická nastavení pro taková zařízení jsou objemná, protože používají konvenční čočky. První aplikací by bylo použití tohoto materiálu k miniaturizaci optických sestav nahrazením zakřivených čoček plochými, říká.
Další ranou aplikací by mohla být zařízení pro noční vidění, která také pracují s infračervenými vlnovými délkami. Pro lidi, kteří chtějí zlepšit zařízení pro noční vidění, by to mohlo být docela zajímavé, říká Smolyaninov.