“Tampas de invisibilidade” ainda são invisíveis

O último de uma série de "mantos de invisibilidade" é o nascido na Universidade de Rochester (1), que usa o sistema óptico apropriado. No entanto, os céticos chamam isso de algum tipo de truque ilusionista ou efeito especial, no qual um sistema de lentes inteligente refrata a luz e engana a visão do observador.

Há uma matemática bastante avançada por trás de tudo isso – os cientistas precisam usá-la para descobrir como configurar as duas lentes para que a luz seja refratada de tal forma que eles possam esconder o objeto diretamente atrás delas. Esta solução funciona não apenas ao olhar diretamente para as lentes - um ângulo de 15 graus ou outro é suficiente.

1. "Boné de Invisibilidade" da Universidade de Rochester.

Ele pode ser usado em carros para eliminar pontos cegos em espelhos ou em salas de cirurgia, permitindo que os cirurgiões vejam através de suas mãos. Esta é mais uma de uma longa série de revelações sobre tecnologia invisívelque chegaram até nós nos últimos anos.

Em 2012, já ouvimos falar do “Cap of Invisibility” da American Duke University. Só os mais curiosos liam então que se tratava da invisibilidade de um pequeno cilindro em um minúsculo fragmento do espectro de micro-ondas. Um ano antes, os funcionários da Duke relataram sobre a tecnologia furtiva de sonar que pode parecer promissora em alguns círculos.

Infelizmente, foi invisibilidade apenas de um certo ponto de vista e em um escopo estreito, o que tornava a tecnologia de pouca utilidade. Em 2013, os incansáveis ​​engenheiros da Duke propuseram um dispositivo impresso em 3D que camuflava um objeto colocado no interior com microfuros na estrutura (2). No entanto, novamente, isso aconteceu em uma faixa limitada de ondas e apenas de um certo ponto de vista.

As fotografias publicadas na Internet pareciam promissoras para a empresa canadense Hyperstealth, que em 2012 foi anunciada sob o intrigante nome de Quantum Stealth (3). Infelizmente, protótipos funcionais nunca foram demonstrados, nem foi explicado como funciona. A empresa cita problemas de segurança como o motivo e relata de forma enigmática que está preparando versões secretas do produto para os militares.

Monitor frontal, câmera traseira

Primeiro modernolimite de invisibilidade» Introduzido há dez anos pelo engenheiro japonês Prof. Susumu Tachi da Universidade de Tóquio. Ele usou uma câmera posicionada atrás de um homem vestindo um casaco que também era um monitor. A imagem da câmera traseira foi projetada nele. O homem encapuzado era "invisível". Um truque semelhante é usado pelo dispositivo de camuflagem de veículos Adaptiv introduzido na década anterior pela BAE Systems (4).

Ele exibe uma imagem infravermelha "por trás" na blindagem do tanque. Tal máquina simplesmente não é vista em dispositivos de mira. A ideia de mascarar objetos tomou forma em 2006. John Pendry, do Imperial College London, David Schurig e David Smith, da Duke University, publicaram a teoria da "óptica de transformação" na revista Science e apresentaram como ela funciona no caso das microondas (comprimentos de onda mais longos do que a luz visível).

2. Uma "tampa de invisibilidade" impressa em três dimensões.

Com a ajuda de metamateriais apropriados, uma onda eletromagnética pode ser dobrada de forma a contornar o objeto circundante e retornar ao seu caminho atual. O parâmetro que caracteriza a reação óptica geral do meio é o índice de refração, que determina quantas vezes mais lentamente que no vácuo, a luz se move neste meio. Calculamos como a raiz do produto da permeabilidade elétrica e magnética relativa.

permeabilidade elétrica relativa; determina quantas vezes a força de interação elétrica em uma dada substância é menor que a força de interação no vácuo. Portanto, é uma medida de quão fortemente as cargas elétricas dentro de uma substância respondem a um campo elétrico externo. A maioria das substâncias tem uma permissividade positiva, o que significa que o campo alterado pela substância ainda tem o mesmo significado que o campo externo.

A permeabilidade magnética relativa m determina como o campo magnético muda em um espaço preenchido com um determinado material, em comparação com o campo magnético que existiria no vácuo com a mesma fonte de campo magnético externa. Para todas as substâncias que ocorrem naturalmente, a permeabilidade magnética relativa é positiva. Para mídia transparente, como vidro ou água, todas as três quantidades são positivas.

Então a luz, passando do vácuo ou do ar (os parâmetros do ar são apenas ligeiramente diferentes do vácuo) para o meio, é refratada de acordo com a lei da refração e a razão entre o seno do ângulo de incidência e o seno do ângulo de refração é igual ao índice de refração para este meio. O valor é menor que zero; e m significa que os elétrons dentro do meio se movem na direção oposta à força criada pelo campo elétrico ou magnético.

Isso é exatamente o que acontece nos metais, nos quais o gás de elétrons livres sofre suas próprias oscilações. Se a frequência de uma onda eletromagnética não exceder a frequência dessas oscilações naturais de elétrons, essas oscilações blindam o campo elétrico da onda de forma tão eficaz que não permitem que ela penetre profundamente no metal e até crie um campo direcionado opostamente. para o campo externo.

Como resultado, a permissividade de tal material é negativa. Incapaz de penetrar profundamente no metal, a radiação eletromagnética é refletida na superfície do metal e o próprio metal adquire um brilho característico. E se ambos os tipos de permissividade fossem negativos? Esta pergunta foi feita em 1967 pelo físico russo Viktor Veselago. Acontece que o índice de refração de tal meio é negativo e a luz é refratada de uma maneira completamente diferente da que segue a lei usual de refração.

5. Refração negativa na superfície de um metamaterial - visualização

Então a energia da onda eletromagnética é transferida para frente, mas os máximos da onda eletromagnética se movem na direção oposta à forma do impulso e da energia transferida. Tais materiais não existem na natureza (não existem substâncias com permeabilidade magnética negativa). Somente na publicação de 2006 citada acima e em muitas outras publicações criadas nos anos subsequentes, foi possível descrever e, portanto, construir estruturas artificiais com índice de refração negativo (5).

Eles são chamados de metamateriais. O prefixo grego "meta" significa "depois", ou seja, são estruturas feitas de materiais naturais. Os metamateriais adquirem as propriedades de que precisam construindo minúsculos circuitos elétricos que imitam as propriedades magnéticas ou elétricas do material. Muitos metais têm uma permeabilidade elétrica negativa, então é suficiente deixar espaço para elementos que dão uma resposta magnética negativa.

Em vez de um metal homogêneo, muitos fios de metal finos dispostos na forma de uma grade cúbica são presos a uma placa de material isolante. Ao alterar o diâmetro dos fios e a distância entre eles, é possível ajustar os valores de frequência em que a estrutura terá uma permeabilidade elétrica negativa. Para obter permeabilidade magnética negativa no caso mais simples, o projeto consiste em dois anéis quebrados feitos de um bom condutor (por exemplo, ouro, prata ou cobre) e separados por uma camada de outro material.

Tal sistema é chamado de ressonador de anel dividido - abreviado como SRR, do inglês. Ressonador de anel dividido (6). Devido às lacunas nos anéis e à distância entre eles, ele possui uma certa capacitância, como um capacitor, e como os anéis são feitos de material condutor, também possui uma certa indutância, ou seja, capacidade de gerar correntes.

Mudanças no campo magnético externo da onda eletromagnética fazem com que uma corrente flua nos anéis, e essa corrente cria um campo magnético. Acontece que com um projeto adequado, o campo magnético criado pelo sistema é direcionado de forma oposta ao campo externo. Isso resulta em uma permeabilidade magnética negativa de um material contendo tais elementos. Ao definir os parâmetros do sistema metamaterial, pode-se obter uma resposta magnética negativa em uma faixa bastante ampla de frequências de onda.

meta - edifício

O sonho dos designers é construir um sistema no qual as ondas fluíssem idealmente ao redor do objeto (7). Em 2008, cientistas da Universidade da Califórnia, em Berkeley, pela primeira vez na história, criaram materiais tridimensionais com índice de refração negativo para luz visível e infravermelha próxima, dobrando a luz em uma direção oposta à sua direção natural. Eles criaram um novo metamaterial combinando prata com fluoreto de magnésio.

Em seguida, é cortado em uma matriz que consiste em agulhas em miniatura. O fenômeno da refração negativa foi observado em comprimentos de onda de 1500 nm (próximo ao infravermelho). No início de 2010, Tolga Ergin do Karlsruhe Institute of Technology e colegas do Imperial College London criaram invisível cortina de luz. Os pesquisadores utilizaram materiais disponíveis no mercado.

Eles usaram cristais fotônicos colocados em uma superfície para cobrir uma saliência microscópica em uma placa de ouro. Assim, o metamaterial foi criado a partir de lentes especiais. As lentes opostas à saliência na placa estão localizadas de tal forma que, ao desviar parte das ondas de luz, eliminam a dispersão da luz na saliência. Ao observar a placa ao microscópio, usando luz com comprimento de onda próximo ao da luz visível, os cientistas viram uma placa plana.

Mais tarde, pesquisadores da Duke University e do Imperial College London conseguiram obter uma reflexão negativa da radiação de micro-ondas. Para obter esse efeito, os elementos individuais da estrutura do metamaterial devem ser menores que o comprimento de onda da luz. Portanto, é um desafio técnico que requer a produção de estruturas metamateriais muito pequenas que correspondam ao comprimento de onda da luz que deveriam refratar.

A luz visível (violeta a vermelho) tem um comprimento de onda de 380 a 780 nanômetros (um nanômetro é um bilionésimo de um metro). Nanotecnólogos da Universidade Escocesa de St. Andrews vieram em socorro. Eles obtiveram uma única camada de metamaterial de malha extremamente densa. As páginas do New Journal of Physics descrevem um metaflex capaz de dobrar comprimentos de onda de cerca de 620 nanômetros (luz laranja-vermelho).

Em 2012, um grupo de pesquisadores americanos da Universidade do Texas em Austin criou um truque completamente diferente usando micro-ondas. Um cilindro com diâmetro de 18 cm foi revestido com um material de plasma de impedância negativa, que permite a manipulação das propriedades. Se tiver exatamente as propriedades ópticas opostas do objeto oculto, cria uma espécie de "negativo".

Assim, as duas ondas se sobrepõem e o objeto se torna invisível. Como resultado, o material pode dobrar várias faixas de frequências diferentes da onda para que fluam ao redor do objeto, convergindo do outro lado dele, o que pode não ser perceptível a um observador externo. Os conceitos teóricos estão se multiplicando.

Cerca de uma dúzia de meses atrás, a Advanced Optical Materials publicou um artigo sobre um estudo possivelmente inovador realizado por cientistas da Universidade da Flórida Central. Quem sabe se eles não conseguiram superar as restrições existentes sobre "chapéus invisíveis» Construído a partir de metamateriais. De acordo com as informações que publicaram, o desaparecimento do objeto na faixa de luz visível é possível.

7. Maneiras teóricas de dobrar a luz em um objeto invisível

Debashis Chanda e sua equipe descrevem o uso de um metamaterial com estrutura tridimensional. Foi possível obtê-lo graças ao chamado. impressão por nanotransferência (NTP), que produz fitas de metal dielétrico. O índice de refração pode ser alterado por métodos de nanoengenharia. O caminho de propagação da luz deve ser controlado na estrutura tridimensional da superfície do material usando o método de ressonância eletromagnética.

Os cientistas são muito cautelosos em suas conclusões, mas pela descrição de sua tecnologia fica bastante claro que os revestimentos desse material são capazes de desviar as ondas eletromagnéticas em grande parte. Além disso, a forma como o novo material é obtido permite a produção de grandes áreas, o que levou alguns a sonharem com lutadores cobertos por tal camuflagem que lhes proporcionaria invisibilidade completo, do radar à luz do dia.

Dispositivos de ocultação usando metamateriais ou técnicas ópticas não causam o desaparecimento real de objetos, mas apenas sua invisibilidade para ferramentas de detecção e, em breve, talvez, para o olho. No entanto, já existem ideias mais radicais. Jeng Yi Lee e Ray-Kuang Lee, da Universidade Nacional Tsing Hua de Taiwan, propuseram um conceito teórico de um "manto de invisibilidade" quântico capaz de remover objetos não apenas do campo de visão, mas também da realidade como um todo.

Isso funcionará de maneira semelhante ao que foi discutido acima, mas a equação de Schrödinger será usada em vez das equações de Maxwell. O objetivo é esticar o campo de probabilidade do objeto para que seja igual a zero. Teoricamente, isso é possível em microescala. No entanto, levará muito tempo para esperar as possibilidades tecnológicas de fabricar tal capa. Como qualquer um "limite de invisibilidade“O que pode ser dito que ela estava realmente escondendo algo da nossa visão.