Matematici z University of Utah vyvinuli novou metodu umožňující neviditelnost. Nepodobá se plášti Harryho Pottera ani Romulanově kosmické lodi ze Star Treku, ani nevyužívá metamateriálů. Přesto by měla umožnit skrýt ponorky před sonarem, letadla před radarem.

„Ukázali jsme, že je možné skrýt objekty jakéhokoliv tvaru. Nejde přitom jen skrytí před vlnami o jedné frekvenci, ale před aktuálními pulsy generovanými multifrekvenčními zdroji,“ říká o objevu Graeme Milton, vedoucí autor výzkumu a matematik z University of Utah.

Jde o zbrusu novou metodu zneviditelňování. „Je dvourozměrná, ale jejímu rozšíření na trojrozměrnost by nemělo nic bránit a to znamená činit neviditelné reálné objekty. Metoda dostala název aktivní zahalování. Tím je míněno použití zařízení, které generuje elektromagnetické pole. Liší se tak od dříve popsaných metod, které ke skrývání objektů využívaly takzvané metamateriály.

 

Metamateriály
Zneviditelňování pomocí metamateriálů se provádí obalením toho, co nechceme, aby bylo vidět. Předmět se obklopí uměle vytvořenou hmotou, která díky své struktuře oplývá neobvyklými elektrickými, magnetickými a optickými vlastnostmi. Hlavní součástí těchto metamateriálů jsou kovové rozptýlené struktury, jejichž velikost je menší než je vlnová délka záření, pro něž jsou určeny. Aby titěrné kovové prvky držely od sebe patřičné rozestupy, kombinují se s teflonem a keramikou. Objekt se před přicházejícími elektromagnetickými vlnami skrývá pasivně.

 
Kužely z jehliček
Mizení věcí nemusí mít na starosti jen složité metamateriály. Mělo by to dokázat i obyčejné pokrytí povrchu předmětu kovovými jehličkami. Ty ale musí tvořit kužely, které lze nejlépe přirovnat k rozevřeným chomáčkům štětin (jako v kartáčích na vlasy). Neviditelnost těchto struktur souvisí s lomem světla. Index lomu známe z takzvaného efektu hole, neboť jak si vzpomeneme: "Hůl do vody vložená, jeví se býti zlomená". Platí to ale i pro lžičku ve sklenici vody, neboť každý průhledný materiál má svůj vlastní index lomu, který určuje, co se děje se světlem, když touto látkou prochází do jiného průhledného materiálu.

 

Podle vědců mají kovové jehličky sestavené do určitého tvaru schopnost měnit index lomu. Zatímco přirozené materiály mají index lomu větší než jedna. Tenké kovové jehly uspořádané do kuželu fungují tak, že postupně mění index lomu z nuly ve vnitřní části takového povrchu až po hodnotu jedna na povrchu takto zhotoveného neviditelného pláště. Takové zařízení zajistí, že světlo objekt jakoby obepluje. S trochou nadsázky můžeme říci, že obyčejný "jahelníček" se chová podobně jako složitě vyvíjené metamateriály ze zlatých nano-cihliček.
Oblast uvnitř takových štětinatých kuželů se bude jevit neviditelná, protože světlo se od tohoto materiálu nebude odrážet. Okolo objektu zahaleného „do kartáčů“, by se mělo světlo ohýbat a učinit jej neviditelným. Je tu ale jeden závažný problém. Konkrétní bodlinatý tvar může ohýbat pouze světlo o jedné vlnové délce. To znamená, že jeden tvar s celým spektrem vlnových délek, ze kterých se viditelné světlo skládá, nepracuje.

 

Video simulující rozptyl světla po odrazu od zakřiveného povrchu předmětu a zakřiveného povrchu dielektrického materiálu. Také v tomto případě jde o pasivní (starší) přístup k neviditelnosti)

 

Nová metoda versus ty staré
Hlavní autor týmu Milton říká, že předcházející výzkum byl zaměřen jen na zneviditelňování malých objektů, nyní prý je jeho tým schopen ukrýt i větší předměty. Tak například, radary pracují s vlnovou délkou okolo deseti centimetrů. Podle Miltona tak lze před radarem ukrýt objekty zhruba desetkrát širší, tedy okolo jednoho metru. To je velký krok vpřed, protože dosud největší objekt, který kdy byl v reálném experimentu před radarem ukryt, byl čtyřicetkrát menší. Šlo tehdy o objev vědců z Duke University v Severní Karolíně, kteří demonstrovali zneviditelnění měděného válečku. Obklopili malý měděný váleček (25mm) mnohovrstevným obalem o vnějším průměru 30 centimetrů. Potom se na objekt dívali radarem. Vysílali k němu k němu elektromagnetické záření s milimetrovou až decimetrovou vlnovou délkou (mikrovlny). Takto schovaný objekt se pro radar jevil prakticky neviditelný.

 

Studie matematicky dokládající možnost aktivního širokopásmového zahalování předmětů byla zveřejněna včera v časopise Optics Express. Související a doplňující článek vyšel ve Physical Review Letters. Spoluautory publikací jsou další matematici Fernando Guevara Vasquez a Daniel Onofrei, oba z University of Utah.

Pod pojmem zneviditelňování (ukrývání, zahalování) jsme dosud rozuměli hlavně činnost, jenž zcela, nebo jen částečně, učinila objekt pro přicházející vlnění neodhalitelný. Většinou jsme při tom měli na mysli elektromagnetické vlny, mezi něž patří viditelné světlo, případně mikrovlny, infračervené světlo a vlny rozhlasového a televizního vysílání.  Může jít ale i o zvuk, vlny na vodní hladině a seismické vlny při zemětřesení. Ve srovnání s klasickým ukrýváním věcí pomocí metamateriálů, je novinkou i způsob ochrany. Využívá totiž aktivně generované vlny.

 

Zatímco stávající techniky učinily objekt neviditelný v červeném světle, v modrém spektru zůstal pro nás viditelný. Většina předešlých úspěchů využívala speciálních schránek ukrývajících celý objekt. Toto je první případ externího aktivního zařízení vydávajícího signály, jehož zdroj je situován mimo ukrývaný objekt.

I když se jedná o teoretickou matematickou práci, připojená videa ukazují, jak se bude situace odehrávat v reálu.  Záběry simulují to, co budeme vidět (respektive nevidět) při skutečném pokusu. V již zmíněném časopisu (The Physical Review Letters) autoři ukazují funkci na jedné frekvenci vlnění. V článku uveřejněném v Optics Express již dokládají funkčnost v širokém spektru vln. Tři zařízení dohromady vytváří „zónu mizení“, takže jakýkoli objekt umístěný do takové zóny se pro procházející vlny stává virtuálně nedekovatelný. Guevara Vasquez vytvořil krátká videa simulující chování elektromagnetických anebo zvukových, obtékajících chráněnou oblast.

 
 Video: Vlny interagují s nechráněným objektem a vzniká „čeření hladiny“ podobné tomu, jaké vidíme na rybníce, když vlny narazí na překážku.

  Ve druhém videu je objekt obklopen třemi bodovými zdroji vysílajícími vlny s omezeným dosahem. Jak přicházející vlny dosáhnou daného místa, přístrojem vytvářené vlny interferují s těmi přicházejícími a nedovolí jim narážet do „schovávaného“ objektu. Efekt „čeřených“ vln se neobjeví a objekt se stává „neviditelným“.

 

Video: Nechráněný objekt

 

Video: Chráněný objekt

 

 

Zvětšit obrázek

Praxe v podání Jiřího Lábuse.

  Ochrana před tsunami a zemětřesením
  Vědci matematicky dokázali, že tato metoda je snadno využitelná u elektromagnetických vln, které jsou vzhledem ke „schovávanému objektu“, velké. Viditelné světlo má ale krátkou vlnovou délku a tak ukrýt před ním lze jen věci mikroskopických rozměrů. Je také nesmírně obtížné vytvořit malé zařízení pro generování tak krátkého vlnění. Uplatnění nové metody v oblasti spektra viditelného světla má tedy vážné komplikace pro uplatnění v praxi.
  Jiná je situace u delších vln (radarů, které používají elektromagnetické vlny centimetrové a decimetrové, ale i u sonarů využívajících ultrazvuk). Vědci mají dokonce ve svých plánech přípravu zařízení eliminujícího vlnění mořské hladiny ohrožující vrtné plošiny a zařízení k ochraně důležitých pobřežních objektů před tsunami. Podle Miltona lze zhotovit i zařízení, jež bude schopno vygenerovat vibrace, které zneutralizují přicházející seismické vlny šířící se podložím po zemětřesení. 

I když praktické využití objevu v oblasti viditelného spektra se jeví sporné, ukrývání letadel, ponorek před radary a sonary by mělo být bezproblémové.

Největší nevýhodou této metody je, že je potřeba znát charakteristiku přicházejících vln předem. Je nutné vědět kdy puls dorazí, frekvenci a amplitudu vlnění. Není to ale záležitost, která by nebyla řešitelná. Stačí k tomu v okolí chráněného objektu umístit čidla, která by přicházející vlny (seismické, zvukové, elektromagnetické) vyhodnotila a systém aktivovala.

   
  Pramen: University of Utah