Na ceste za neviditeľnosťou  
Poznáte to – kúzelník prikryje predmet šatkou, urobí čáry – máry a predmet je fuč. Vedci z Berkeleyho laboratória vytvorili nový typ materiálu, ktorý takú kúzelnícku šatku pripomína. Reálny predmet „mizne“ v súlade s fyzikálnymi zákonmi, preto márna je nádej, že z tohto materiálu raz bude koberec, pod ktorým sa stratí všetko, čo sa pod neho zametie.

 

Zvětšit obrázek
Plášť neviditeľnosti bol vytvorený na tenkej kremíkovej podložke (spodná modrá vrstva) pokrytej 3 mikrometre hrubou vrstvou oxidu kremičitého (v prírode táto látka predstavuje čistý kremeň – stredná sivá vrstva), ktorá oddeľuje podložku od vrchnej, 250 nanometrov tenkej vrstvy kremíku (horná modrá vrstva). Vrchná vrstva pôsobí ako dvoj-dimenzionálny optický vlnovod. Svetlo je v ňom vo vertikálnom smere regulované, ale v oboch zvyšných rozmeroch sa môže šíriť voľne, bez obmedzenia.

Ľudská fantázia si už dávno pohráva s neviditeľnosťou. Prekračujúc hranice reálne možného vymýšľa rôzne zneviditeľňujúce prípravky, tajomné nápoje, či plášte. Ale predstavte si, že by ste sa v skutočnosti prikryli prikrývkou a tá by utajila vašu prítomnosť aspoň tak, že by si zdanlivo uchovala rovný, nedeformovaný povrch.  Akoby ňou nič zahalené nebolo. 


Nie, zatiaľ takú prikrývku v obchode nekúpite a neponúka ju ani veda. Aspoň nie v takejto forme. Tím vedcov zo známeho Berkeleyho laboratória Kalifornskej univerzity pod vedením Xiang Zhanga však vytvoril prikrývku „neviditeľnosti“ z kremíkovej nano-rozmerovej štruktúry, ktorá dokáže opticky utajiť existenciu pod ňou umiestnených objektov. Nie je to ako v rozprávke, kde z viditeľného sveta zmizne objekt aj plášť. V reálnych podmienkach kremíkovú prikrývku je vidieť stále, opticky zmizne len jej tvarová deformácia  - vyklenutie, ktoré objekt umiestnený pod ňou spôsobí. Základný fyzikálny princíp je pomerne jednoduchý – svetelný lúč odrazený od výdute sa správa tak, akoby sa odrážal od rovného povrchu.  

 

Zvětšit obrázek
Xiang Zhang v jednom zo svojich kráľovstiev v Národnom laboratóriu Lawrenca Berkeleyho. Zhang je vedúcim vedeckým pracovníkom na Oddelení vied o materiáloch a riaditeľom Centra pre vedu a techniku v nanometrovej oblasti.

"Snažíme sa problému neviditeľnosti riešiť novým spôsobom, využívajúc dielektrické materiály" vysvetľuje Zhang. "Naša optická prikrývka nielen naznačuje, že reálne zneviditeľňujúce materiály sú už na dosah, ale zároveň predstavuje významný krok smerom k transformačnej optike, ktorá otvára dvere možnosti ľubovoľne manipulovať so svetelným lúčom. Je to významné pre vývoj nových výkonných mikroskopov a rýchlejších počítačov."

Zhangov tím už dávnejšie pracuje v oblasti „neviditeľnosti“, no doposiaľ využíval zložitejšie metamateriály – kombinácie kovov a dielektrických materiálov. Ich zvláštne optické vlastnosti vyplývajú ani nie tak zo zloženia ako skôr z ich jedinečnej vnútornej stavby.  Je budovaná z jemných, mriežkam podobných nano- a mikrometrových štruktúr ukladaných na seba do vrstiev – jednu tvorí striebro a fluorid horečnatý a druhú strieborné nanovlákna vyzrážané v kanálikoch pórovitého oxidu hlinitého.
Rozdielnymi optickými vlastnosťami takýchto kovových metamateriálov vedci Berkeleyho laboratória prinútili svetlo, aby sa oblúkom ohlo až do opačného smeru. Zhangov tím z nich vytvoril predchádzajúci typ „prikrývky neviditeľnosti“. Jej pole pôsobnosti však pokrýva len oblasť mikrovlnného žiarenia, pre viditeľné svetlo použiteľná nie je. Kovové prvky v štruktúre kovových metamateriálov vo veľkej miere absorbujú vlnovú dĺžku kratšiu než sú mikrovlny. Preto je nevyhnutné vytvoriť kovové častice menšie, ako je vlnová dĺžka žiarenia v ktorom má zariadenie fungovať a navyše vyriešiť ich umiestnenie do štruktúry s priestorovo vhodným tvarom, ktorý by bolo možné ľubovoľne naplánovať. To je zatiaľ len výzva budúcnosti.

 

Zvětšit obrázek
Svetlo sa na zakrivenom povrchu rozptyľuje. Prikrývka z nového materiálu dokáže pomocou rozdielneho indexu lomu zakrivenie povrchu eliminovať tak, že rôznou mierou ohýba svetelné lúče a núti ich nerozptýliť sa, ale zachovať si svoju rovnobežnosť. Akoby sa odrazili od rovného povrchu.

Ani najnovší typ Zhangovho „plášťa neviditeľnosti“ nefunguje v spektre viditeľného svetla (380 až 750 nm), ale už sa k nemu aspoň blíži. Oblasť jeho funkčnosti sa presunula od mikrovlnného žiarenia smerom ku kratším vlnovým dĺžkam – k blízkemu infračervenému  žiareniu s vlnovými dĺžkami od 1 400 po 1 800 nanometrov. Základom sú dielektrické materiály - kremík a oxid kremičitý. Prvý testovaný prototyp sa skladá z troch veľmi tenkých vrstiev – kremíkovej podložky, pokrytej vrstvou oxidu kremičitého (SiO2) a hornú plochu tvorí opäť vrstva kremíku s hrúbkou 250 nanometrov (25 stotisícin milimetra). Tvorí dvoj-dimenzionálny vlnovod, v ktorom sa svetlo voľne šíri len dvoma smermi, vo vertikálnom jeho šírenie reguluje perforácia hornej kremíkovej vrstvy. Tvorí ju sieť dierok, s priemerom presne 110 nanometrov. Ich hustota sa v oblasti tvarovej deformácie mení, čím sa mení aj index lomu a tým sa kompenzuje rozptyl svetla spôsobený zakrivením povrchu. Odrazené svetelné lúče sa ohýbajú tak, aby boli rovnobežné, akoby sa odrážali od roviny a nie výdute. 


Samozrejme, že nejde o naozajstný kus zázračnej prikrývky, ktorá by mohla utajiť predmet ukrytý pod ňou. Testovaná deformácia (výduť) mala plošné rozmery len 3,8 x 0,4 mikrometra (tisícin milimetra). Materiál však dokázal utajiť svoju tvarovú deformáciu pri svetle dpadajúcom pod rôznymi uhlami. Aj keď stále nejde o oblasť viditeľného svetla, vedci tvrdia, že už tento nový materiál je do určitej miery škálovateľný a predpokladajú, že ďalším zdokonaľovaním technológie sa postupne dostanú až do spektrálnej oblasti, v ktorej „zmiznutie“ predmetu pod zneviditeľňujúcou prikrývkou uvidíme na vlastné oči. No cieľom ďalšieho výskumu je nielen skrátenie vlnovej dĺžky, ale aj utajenie predmetu vo všetkých troch priestorových rozmeroch. 

 

Článok o dielektrickom optickom plášti neviditeľnosti uverejnil 29. apríla časopis Nature Materials.

 

Video simulujúce rozptyl svetla po odraze od zakriveného povrchu predmetu a zakriveného povrchu nového diektrického materiálu.



Zdroj: stránka Lawrence Berkeley National Laboratory News Center;

Abstrakt: Valentine et al. An optical cloak made of dielectrics. Nature Materials, 2009; DOI: 10.1038/nmat2461

Datum: 06.05.2009 03:34
Tisk článku

Fyzika v příkladech II - Samek Ladislav, Vlčák Petr
 
 
cena původní: 450 Kč
cena: 387 Kč
Fyzika v příkladech II
Samek Ladislav, Vlčák Petr

Diskuze:

Žádný příspěvek nebyl zadán



Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni














Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace