"کلاه های نامرئی" هنوز نامرئی هستند

آخرین مورد از یک سری از "شنل های نامرئی" ردای متولد شده در دانشگاه روچستر (1) است که از سیستم نوری مناسب استفاده می کند. با این حال، شکاکان آن را نوعی ترفند توهم گرایانه یا جلوه ویژه می نامند که در آن یک سیستم عدسی هوشمند نور را شکسته و دید ناظر را فریب می دهد.

ریاضیات بسیار پیشرفته‌ای پشت همه اینها وجود دارد - دانشمندان باید از آن برای یافتن نحوه تنظیم دو عدسی استفاده کنند تا نور به گونه‌ای شکسته شود که بتوانند شی را مستقیماً در پشت آنها پنهان کنند. این راه حل نه تنها هنگام نگاه کردن مستقیم به لنزها کار می کند - یک زاویه 15 درجه یا بیشتر کافی است.

1. "کلاه نامرئی" از دانشگاه روچستر.

می توان از آن در اتومبیل ها برای از بین بردن نقاط کور در آینه ها یا اتاق های عمل استفاده کرد و به جراحان اجازه می دهد از طریق دستان خود ببینند. این یکی دیگر از سلسله افشاگری های طولانی درباره آن است تکنولوژی نامرئیکه در سال های اخیر به ما رسیده است.

در سال 2012، ما قبلاً در مورد "کلاه نامرئی" از دانشگاه دوک آمریکا شنیده بودیم. فقط کنجکاوترین افراد در آن زمان خواند که در مورد نامرئی بودن یک استوانه کوچک در قطعه کوچکی از طیف مایکروویو است. یک سال قبل، مقامات دوک در مورد فناوری پنهان کاری سونار گزارش دادند که ممکن است در برخی محافل امیدوارکننده به نظر برسد.

متأسفانه بود نامرئی بودن فقط از یک نقطه نظر خاص و در یک محدوده باریک، که باعث استفاده کمی از فناوری شد. در سال 2013، مهندسان خستگی‌ناپذیر دوک یک دستگاه چاپ سه‌بعدی را پیشنهاد کردند که یک شی قرار گرفته در داخل آن را با ریز سوراخ‌هایی در ساختار استتار می‌کرد (3). با این حال، دوباره، این اتفاق در محدوده محدودی از امواج و تنها از یک نقطه نظر خاص رخ داد.

در عکس های منتشر شده در اینترنت، شنل شرکت کانادایی Hyperstealth امیدوارکننده به نظر می رسید که در سال 2012 با نام جذاب Quantum Stealth (3) تبلیغ شد. متأسفانه، نمونه های اولیه کار هرگز نشان داده نشده است، و همچنین توضیح داده نشده است که چگونه کار می کند. این شرکت دلیل آن را مسائل امنیتی عنوان می کند و به صورت رمزآلود گزارش می دهد که نسخه های مخفی این محصول را برای ارتش آماده می کند.

مانیتور جلو، دوربین عقب

اول مدرنکلاه نامرئی» ده سال پیش توسط مهندس ژاپنی پروفسور معرفی شد. سوسومو تاچی از دانشگاه توکیو. او از دوربینی استفاده کرد که پشت مردی قرار داشت که کتی پوشیده بود که آن هم مانیتور بود. تصویر دوربین عقب بر روی آن پخش شد. مرد شنل پوش «ناپیدا» بود. ترفند مشابهی توسط دستگاه استتار وسیله نقلیه Adaptiv که در دهه قبل توسط BAE Systems معرفی شد استفاده می شود (4).

این یک تصویر مادون قرمز "از پشت" روی زره ​​تانک نمایش می دهد. چنین ماشینی به سادگی در دستگاه های رؤیت دیده نمی شود. ایده پوشاندن اجسام در سال 2006 شکل گرفت. جان پندری از امپریال کالج لندن، دیوید شوریگ و دیوید اسمیت از دانشگاه دوک نظریه "اپتیک تبدیل" را در مجله Science منتشر کردند و نحوه عملکرد آن را در مورد امواج مایکروویو (طول موج های بلندتر از نور مرئی) ارائه کردند.

2. یک "کلاه نامرئی" چاپ شده در سه بعدی.

با کمک فرامواد مناسب می توان یک موج الکترومغناطیسی را به گونه ای خم کرد که جسم اطراف را دور زده و به مسیر فعلی خود بازگردد. پارامتری که واکنش نوری کلی محیط را مشخص می کند ضریب شکست است که تعیین می کند نور در این محیط چند برابر کندتر از خلاء حرکت می کند. ما آن را به عنوان ریشه حاصل ضرب نفوذپذیری نسبی الکتریکی و مغناطیسی محاسبه می کنیم.

نفوذپذیری الکتریکی نسبی؛ تعیین می کند که چند برابر نیروی برهمکنش الکتریکی در یک ماده معین کمتر از نیروی برهمکنش در خلاء است. بنابراین، این معیاری است که نشان می دهد بارهای الکتریکی درون یک ماده چقدر به میدان الکتریکی خارجی واکنش نشان می دهند. بیشتر مواد دارای گذردهی مثبت هستند، به این معنی که میدان تغییر یافته توسط ماده هنوز همان معنای میدان خارجی را دارد.

نفوذپذیری مغناطیسی نسبی m تعیین می کند که چگونه میدان مغناطیسی در فضایی پر از یک ماده معین تغییر می کند، در مقایسه با میدان مغناطیسی که در خلاء با همان منبع میدان مغناطیسی خارجی وجود دارد. برای همه مواد طبیعی، نفوذپذیری مغناطیسی نسبی مثبت است. برای رسانه های شفاف مانند لیوان یا آب، هر سه مقدار مثبت هستند.

سپس نور با عبور از خلاء یا هوا (پارامترهای هوا فقط کمی با خلاء متفاوت است) به محیط، طبق قانون شکست شکسته می شود و نسبت سینوس زاویه تابش به سینوس زاویه شکست برابر است. برابر با ضریب شکست این محیط است. مقدار کمتر از صفر است. و m به این معنی است که الکترون های داخل محیط در جهت مخالف نیروی ایجاد شده توسط میدان الکتریکی یا مغناطیسی حرکت می کنند.

این دقیقاً همان چیزی است که در فلزات اتفاق می افتد، که در آن گاز الکترون آزاد تحت نوسانات خاص خود قرار می گیرد. اگر فرکانس یک موج الکترومغناطیسی از فرکانس این نوسان‌های طبیعی الکترون‌ها تجاوز نکند، این نوسانات میدان الکتریکی موج را به‌طور مؤثری کنترل می‌کنند که اجازه نفوذ به اعماق فلز را نمی‌دهند و حتی میدانی در جهت مخالف ایجاد می‌کنند. به میدان خارجی

در نتیجه، گذردهی چنین ماده ای منفی است. تابش الکترومغناطیسی که قادر به نفوذ به اعماق فلز نیست، از سطح فلز منعکس می‌شود و خود فلز درخشندگی خاصی پیدا می‌کند. اگر هر دو نوع مجوز منفی بود چه؟ این سوال در سال 1967 توسط فیزیکدان روسی ویکتور وسلاگو پرسیده شد. معلوم می شود که ضریب شکست چنین محیطی منفی است و نور به روشی کاملاً متفاوت با قانون معمول شکست شکست می شود.

5. انکسار منفی در سطح یک فراماده - تجسم

سپس انرژی موج الکترومغناطیسی به جلو منتقل می شود، اما حداکثر موج الکترومغناطیسی در جهت مخالف شکل ضربه و انرژی منتقل شده حرکت می کند. چنین موادی در طبیعت وجود ندارند (هیچ ماده ای با نفوذپذیری مغناطیسی منفی وجود ندارد). تنها در نشریه 2006 که در بالا ذکر شد و در بسیاری از نشریات دیگر که در سالهای بعد ایجاد شد، امکان توصیف و در نتیجه ساخت سازه های مصنوعی با ضریب شکست منفی وجود داشت (5).

به آنها متا مواد می گویند. پیشوند یونانی "meta" به معنای "بعد" است، یعنی اینها سازه هایی هستند که از مواد طبیعی ساخته شده اند. فرامواد با ساختن مدارهای الکتریکی کوچک که خواص مغناطیسی یا الکتریکی مواد را تقلید می کنند، خواص مورد نیاز خود را به دست می آورند. بسیاری از فلزات دارای نفوذپذیری الکتریکی منفی هستند، بنابراین کافی است فضایی برای عناصری که پاسخ مغناطیسی منفی می دهند، باقی بماند.

به جای یک فلز همگن، تعداد زیادی سیم فلزی نازک که به شکل یک شبکه مکعبی مرتب شده اند به صفحه ای از مواد عایق متصل می شوند. با تغییر قطر سیم ها و فاصله بین آنها می توان مقادیر فرکانسی را تنظیم کرد که در آن سازه دارای نفوذپذیری الکتریکی منفی خواهد بود. برای به دست آوردن نفوذپذیری مغناطیسی منفی در ساده ترین حالت، طرح شامل دو حلقه شکسته است که از یک هادی خوب (مثلاً طلا، نقره یا مس) ساخته شده و توسط لایه ای از ماده دیگر جدا شده است.

چنین سیستمی تشدید کننده حلقه تقسیم نامیده می شود - به اختصار SRR، از انگلیسی. تشدید کننده حلقه شکاف (6). با توجه به شکاف های موجود در حلقه ها و فاصله بین آنها، مانند خازن دارای ظرفیت خاصی است و از آنجایی که حلقه ها از مواد رسانا ساخته شده اند، اندوکتانس خاصی نیز دارد، یعنی. توانایی تولید جریان

تغییرات میدان مغناطیسی خارجی ناشی از موج الکترومغناطیسی باعث می شود جریانی در حلقه ها جاری شود و این جریان یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند. معلوم می شود که با یک طراحی مناسب، میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط سیستم در مقابل میدان خارجی هدایت می شود. این منجر به نفوذپذیری مغناطیسی منفی مواد حاوی چنین عناصری می شود. با تنظیم پارامترهای سیستم فراماده، می توان پاسخ مغناطیسی منفی را در محدوده نسبتاً وسیعی از فرکانس های موج به دست آورد.

متا ساختمان

رویای طراحان این است که سیستمی بسازند که در آن امواج به طور ایده آل در اطراف جسم جریان داشته باشند (7). در سال 2008، دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، برای اولین بار در تاریخ، مواد سه بعدی را ایجاد کردند که دارای ضریب شکست منفی برای نور مرئی و نزدیک به فروسرخ است و نور را در جهتی مخالف جهت طبیعی خود خم می کند. آنها با ترکیب نقره با فلوراید منیزیم یک متاماده جدید ایجاد کردند.

سپس آن را به یک ماتریس متشکل از سوزن های مینیاتوری برش می دهند. پدیده شکست منفی در طول موج های 1500 نانومتر (نزدیک به فروسرخ) مشاهده شده است. در اوایل سال 2010، تولگا ارگین از موسسه فناوری کارلسروهه و همکارانش در امپریال کالج لندن ایجاد کردند. نامرئی پرده نور. محققان از مواد موجود در بازار استفاده کردند.

آنها از کریستال های فوتونی که روی سطحی گذاشته شده بودند برای پوشاندن برآمدگی میکروسکوپی روی یک صفحه طلا استفاده کردند. بنابراین متامتریال از لنزهای ویژه ایجاد شده است. عدسی های روبروی قوز روی صفحه به گونه ای قرار گرفته اند که با انحراف بخشی از امواج نور، پراکندگی نور بر روی برآمدگی را از بین می برند. دانشمندان با مشاهده صفحه زیر میکروسکوپ، با استفاده از نوری با طول موج نزدیک به نور مرئی، صفحه ای مسطح را مشاهده کردند.

بعدها، محققان دانشگاه دوک و امپریال کالج لندن توانستند بازتاب منفی تشعشعات مایکروویو را به دست آورند. برای به دست آوردن این اثر، عناصر منفرد ساختار فراماده باید کمتر از طول موج نور باشند. بنابراین این یک چالش فنی است که مستلزم تولید ساختارهای فراماده بسیار کوچکی است که با طول موج نوری که قرار است شکست دهند مطابقت داشته باشد.

نور مرئی (بنفش تا قرمز) دارای طول موج 380 تا 780 نانومتر است (یک نانومتر یک میلیاردم متر است). نانوتکنولوژیست های دانشگاه سنت اندروز اسکاتلند به کمک آمدند. آنها یک لایه متاماده بسیار متراکم مشبک دریافت کردند. صفحات مجله فیزیک جدید متافلکسی را توصیف می کند که می تواند طول موج های حدود 620 نانومتر را خم کند (نور نارنجی-قرمز).

در سال 2012، گروهی از محققان آمریکایی در دانشگاه تگزاس در آستین ترفندی کاملاً متفاوت با استفاده از امواج مایکروویو ارائه کردند. استوانه ای با قطر 18 سانتی متر با ماده پلاسمایی امپدانس منفی پوشانده شد که امکان دستکاری خواص را فراهم می کند. اگر دقیقاً خواص نوری مخالف شی پنهان را داشته باشد، نوعی "منفی" ایجاد می کند.

بنابراین، دو موج روی هم قرار می گیرند و جسم نامرئی می شود. در نتیجه، این ماده می تواند چندین محدوده فرکانس مختلف موج را خم کند تا آنها در اطراف جسم جریان پیدا کنند و در طرف دیگر آن همگرا شوند، که ممکن است برای یک ناظر خارجی قابل توجه نباشد. مفاهیم نظری در حال تکثیر هستند.

حدود یک دوجین ماه پیش، Advanced Optical Materials مقاله ای در مورد یک مطالعه احتمالاً پیشگامانه توسط دانشمندان دانشگاه مرکزی فلوریدا منتشر کرد. چه کسی می داند که آیا آنها نتوانستند بر محدودیت های موجود غلبه کنند.کلاه های نامرئی» ساخته شده از متا مواد. بر اساس اطلاعاتی که منتشر کردند، ناپدید شدن جسم در محدوده نور مرئی امکان پذیر است.

7. روش های نظری خم کردن نور بر روی یک جسم نامرئی

دباشیس چاندا و تیمش استفاده از یک متامتریال با ساختار سه بعدی را توصیف می کنند. بدست آوردن آن به لطف به اصطلاح امکان پذیر بود. چاپ نانو انتقال (NTP)، که نوارهای فلزی دی الکتریک تولید می کند. ضریب شکست را می توان با روش های نانومهندسی تغییر داد. مسیر انتشار نور باید در ساختار سطحی سه بعدی ماده با استفاده از روش تشدید الکترومغناطیسی کنترل شود.

دانشمندان در نتیجه گیری های خود بسیار محتاط هستند، اما از توصیف فناوری آنها کاملاً واضح است که پوشش های چنین ماده ای قادر به انحراف امواج الکترومغناطیسی تا حد زیادی هستند. علاوه بر این، روشی که مواد جدید به دست می‌آیند، امکان تولید مناطق وسیعی را فراهم می‌کند، که باعث شد برخی رویای جنگنده‌هایی را ببینند که با پوشش استتاری پوشانده شده‌اند که برای آنها فراهم می‌کند. نامرئی بودن کامل، از رادار تا روشنایی روز.

دستگاه‌های پنهان‌سازی با استفاده از فرامواد یا تکنیک‌های نوری باعث ناپدید شدن واقعی اشیا نمی‌شوند، بلکه فقط باعث ناپدید شدن آنها برای ابزارهای تشخیص و به زودی، شاید برای چشم می‌شوند. با این حال، در حال حاضر ایده های رادیکال تری وجود دارد. Jeng Yi Lee و Ray-Kuang Lee از دانشگاه ملی تایوان Tsing Hua یک مفهوم نظری از یک "کلاه نامرئی" کوانتومی ارائه کردند که می تواند اجسام را نه تنها از میدان دید، بلکه از واقعیت به عنوان یک کل حذف کند.

این شبیه به آنچه در بالا بحث شد کار خواهد کرد، اما معادله شرودینگر به جای معادلات ماکسول استفاده خواهد شد. نکته این است که میدان احتمال جسم را به گونه ای کشش دهیم که برابر با صفر شود. از نظر تئوری، این در مقیاس خرد امکان پذیر است. با این حال، انتظار برای امکانات تکنولوژیکی ساخت چنین پوششی زمان زیادی می برد. مانند هر "کلاه نامرئی«که می توان گفت او واقعاً چیزی را از دید ما پنهان می کرد.