211service.com
Doorbraak onzichtbaarheidsmantel
Metamaterialen interageren met licht op manieren die de wetten van de fysica lijken te schenden. Ze kunnen licht rond een object buigen alsof het er niet is, of de resolutie van lichtmicroscopen verkleinen tot enkele nanometers. Maar metamaterialen moeten nauwgezet worden gestructureerd op nano- en microschaal om deze exotische effecten te bereiken. Nu heeft de Duke University-onderzoeker die in 2006 de eerste onzichtbaarheidsmantel bouwde software gemaakt die het ontwerp van metamaterialen versnelt. Hij en zijn collega's hebben het programma gebruikt om een complexe lichtmantel te bouwen die onzichtbaar is voor een brede band van microgolflicht - en ze deden het in slechts ongeveer 10 dagen.
Nu zie je het: Een nieuw apparaat dat microgolfstraling kan omleiden, bestaat uit ongeveer 600 I-vormige koperstructuren en werkt over een breed spectrum.
David R. Smith van Duke en Tai Jun Cui van de Southeast University, in Nanjing, China, leidde het werk, dat een mijlpaal is op het gebied van metamaterialen. De mantel die de onderzoekers bouwden, werkt met golflengten van licht variërend van ongeveer 1 tot 18 gigahertz - een strook zo breed als het zichtbare spectrum. Niemand heeft nog een verhulapparaat gemaakt dat in het zichtbare spectrum werkt, en de metamaterialen die zijn gefabriceerd, werken meestal alleen met smalle lichtbanden. Maar een mantel die een object onzichtbaar maakt voor licht van slechts één kleur, zou niet veel nut hebben. Evenzo kan een verhulapparaat het zich niet veroorloven verliesgevend te zijn: als het een klein beetje licht laat weerkaatsen op het object dat het zou moeten verhullen, is het niet langer effectief. De mantel die Smith heeft gebouwd, heeft een zeer laag verlies en leidt met succes bijna al het licht dat erop valt.
Hun mantel … antwoordt de nee-zeggers die voorspelden dat mantels altijd smalbandig en verliesgevend zouden zijn, zegt John Pendry , leerstoel theoretische vastestoffysica aan het Imperial College London. Pendry deed het theoretische werk waarop zowel de eerste onzichtbaarheidsmantel als zijn nieuwe opvolger zijn gebaseerd. Onnodig te zeggen dat ik blij ben met deze ontwikkeling, zegt Pendry. Hij en zijn collega van het Imperial College Jensen Li stelde vorig jaar een theoretische versie van een breedbandmantel voor, en op dat moment, zegt hij, had hij niet zo'n snelle experimentele vooruitgang verwacht.
De breedbandmantel is een rechthoekige structuur van ongeveer 50 bij 10 centimeter, met een hoogte van ongeveer 1 centimeter. Het bestaat uit ongeveer 600 I-vormige koperen structuren. Het maken van elke structuur is een eenvoudige zaak, zegt Smith. Het zijn koperpatronen op een printplaat, versneden en gerangschikt. Het is een bekende, goedkope technologie. Het moeilijke deel is het bepalen van de afmetingen van elk van deze 600 structuren en hoe ze te rangschikken. Met de eerste lichtmantel, die slechts 10 van dergelijke stukken bevatte, moesten we elk element ontwerpen door middel van numerieke simulaties, zegt Smith. Het zou maanden hebben gekost om dezelfde benadering toe te passen op de meer gecompliceerde mantel.
Zelfs voor natuurkundigen en ingenieurs is de wiskunde die betrokken is bij het theoretische ontwerp van verhulapparaten erg moeilijk, zegt Nicholas Fang , een professor in mechanische wetenschappen en techniek aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign. De manier waarop een materiaal interageert met de magnetische en elektrische componenten van licht, wordt in aanmerking genomen bij het bepalen van de grootte, vorm en oriëntatie van elke structuur in een metamateriaal. In het theoretische werk van Pendry en Li werd beschreven hoe je een breedbandmantel kunt maken door materialen te gebruiken die zo gestructureerd zijn dat ze een elektrische, maar geen magnetische reactie op licht hebben. Maar het was niet duidelijk hoe dit idee in de praktijk moest worden gebracht. De onderzoekers van de Southeast University ontwikkelden nieuwe algoritmen om het proces enorm te versnellen, zegt Smith. Deze algoritmen maken het mogelijk om snel te voorspellen hoe een structuur met een bepaalde vorm zal interageren met licht.
De mantel zelf, deze week beschreven in Wetenschap , is inderdaad indrukwekkend, zegt Fang, die werkt aan metamaterialen voor biologische beeldvorming met superresolutie. Maar wat spannender is, is dat de nieuwe benadering van design de ontwikkeling van andere metamaterialen zal versnellen. Smith zegt dat hij en zijn groep al verder zijn gegaan dan de mantel die is gerapporteerd in Wetenschap , maar omdat hun laatste werk niet is gepubliceerd, kan hij niet specificeren wat ze hebben gemaakt. Nu [dat] dit een meer haalbare technologie wordt, zullen we er veel meer van gaan zien, zegt hij.
Andere toepassingen van metamaterialen, zegt Smith, zijn optische apparaten die lichtenergie opnemen en concentreren, in plaats van het af te wenden - conceptueel gezien het tegenovergestelde van een mantel. Je zou zonnecellen kunnen verbeteren door structuren te maken die de veldsterkte van het licht vergroten, zegt hij. Het nieuwe werk suggereert dat dit zou kunnen worden gedaan over het hele spectrum van golflengten die in zonlicht worden aangetroffen. Evenzo kunnen breedbandhyperlenzen die licht opvangen dat door normale lenzen wordt gemist, een revolutie teweegbrengen in biologische beeldvorming. Fang en anderen hebben smalbandige hyperlenzen ontwikkeld met resoluties van slechts enkele nanometers, die de moleculaire werking van cellen zichtbaar maken. Een breedband hyperlens zou kunnen werken met alle kleuren zichtbaar en infrarood licht.
Het uiteindelijke doel, zegt Pendry, is omhullen in het zichtbare lichtspectrum, en Smiths nieuwste werk wijst de weg vooruit. Er zijn geen onoverkomelijke obstakels om een mantel te laten werken op optische frequenties, zegt Pendry. De Duke-paper brengt dit doel een stap dichterbij.