211service.com
Onzichtbaarheidsmantels dichterbij brengen
In een belangrijke stap in de richting van de ontwikkeling van praktische onzichtbaarheidsmantels hebben onderzoekers twee nieuwe materialen ontwikkeld die licht op geheel nieuwe manieren buigen. Deze materialen zijn de eerste die werken in de optische band van het spectrum, dat zichtbaar en infrarood licht omvat; bestaande mantelmaterialen werken alleen met microgolven. Dergelijke mantels, lang afgebeeld in sciencefiction, zouden objecten, van gevechtsvliegtuigen tot mensen, in het volle zicht kunnen verbergen.
Onzichtbaar net: Een nieuw materiaal dat bijna-infrarood licht op een unieke manier kan buigen, heeft een visnetstructuur. Deze beelden van een prisma gemaakt van het materiaal zijn gemaakt met een scanning elektronenmicroscoop. Door de gaten in het net kan het materiaal interageren met de magnetische component van het licht, wat de ongebruikelijke buiging mogelijk maakt en zijn belofte aantoont voor gebruik in toekomstige onzichtbaarheidsmantels. In de inzet zijn de lagen metaal en isolatiemateriaal zichtbaar waaruit het metamateriaal bestaat.
Beide materialen, afzonderlijk beschreven in de tijdschriften Wetenschap en Natuur vertonen deze week een eigenschap die negatieve breking wordt genoemd en die geen enkel natuurlijk materiaal bezit. Als licht door de materialen gaat, buigt het naar achteren. Eén materiaal werkt met zichtbaar licht; de andere is aangetoond met nabij-infrarood licht.
De materialen, gemaakt in het laboratorium van University of California, Berkeley, engineer Xiang Zhang , zou de weg kunnen wijzen naar onzichtbaarheidsmantels die objecten beschermen tegen zichtbaar licht. Maar Steven Cummer , een ingenieur van Duke University die betrokken is bij de ontwikkeling van de microgolfmantel, waarschuwt dat er nog een lange weg te gaan is voordat de nieuwe materialen kunnen worden gebruikt voor verhulling. Cloaking-materialen moeten het licht op een zeer nauwkeurig gecontroleerde manier geleiden, zodat het rond een object stroomt en aan de andere kant opnieuw wordt gevormd zonder vervorming. De Berkeley-materialen kunnen licht buigen op de fundamentele manier die nodig is voor verhulling, maar ze zullen verdere techniek nodig hebben om licht te manipuleren zodat het zorgvuldig wordt gericht.
Een van de nieuwe Berkeley-materialen bestaat uit afwisselende lagen metaal en een isolatiemateriaal, die beide zijn geponst met een raster van vierkante gaten. De totale dikte van het apparaat is ongeveer 800 nanometer; de gaten zijn nog kleiner. Deze gestapelde lagen vormen elektrische stroomlussen die reageren op het magnetische veld van licht, waardoor het zijn unieke buigeigenschappen mogelijk maakt, zegt Jason Valentine , een afgestudeerde student in het laboratorium van Zhang. Natuurlijk voorkomende materialen hebben daarentegen geen interactie met de magnetische component van elektromagnetische golven. Door de grootte van de gaten te veranderen, kunnen de onderzoekers het materiaal afstemmen op verschillende lichtfrequenties. Tot nu toe hebben ze negatieve breking van nabij-infraroodlicht aangetoond met behulp van een prisma gemaakt van het materiaal.
Onderzoekers proberen al bijna 10 jaar dergelijke materialen te maken, sinds het bij hen opkwam dat negatieve breking misschien wel mogelijk zou zijn. Andere onderzoekers hebben alleen enkele lagen kunnen maken die te dun - en veel te inefficiënt - zijn voor apparaattoepassingen. Het Berkeley-materiaal is ongeveer 10 keer dikker dan eerdere ontwerpen, waardoor het meer licht doorlaat en het robuust genoeg is om als basis te dienen voor echte apparaten. Dit komt in de buurt van echte apparaten op nanoschaal, zegt Cummer over het Berkeley-prisma.
Het tweede materiaal bestaat uit zilveren nanodraden ingebed in aluminium. Het nanodraadmedium werkt als glasvezelbundels, dus in principe is het heel anders, zegt Nicholas Fang , professor mechanica en engineering aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champagne, die niet betrokken was bij het onderzoek. De gelaagde rasterstructuur buigt niet alleen het licht in de negatieve richting; het zorgt er ook voor dat het achteruit reist. Licht dat door de nanodraadstructuur wordt doorgelaten, buigt ook in de negatieve richting, maar zonder achteruit te reizen. Omdat het werk zich nog in de beginfase bevindt, is het onduidelijk welk optisch metamateriaal het beste zal werken en voor welke toepassingen. Misschien zullen toekomstige oplossingen deze twee benaderingen combineren, zegt Fang.
Het maken van een onzichtbaarheidsmantel brengt grote technische uitdagingen met zich mee. Om te beginnen zullen de onderzoekers het materiaal moeten opschalen, zelfs om een klein object te verhullen: bestaande microgolfverhulapparaten en theoretische ontwerpen voor optische mantels moeten veel lagen dik zijn om licht zonder vervorming rond objecten te geleiden. Het maken van materialen voor microgolfverhulling was gemakkelijker omdat deze golflengten kunnen worden gecontroleerd door relatief grote structurele kenmerken. Om zichtbaar licht rond een object te leiden, is een materiaal nodig waarvan de structuur op nanoschaal wordt gecontroleerd, zoals die in Berkeley zijn gemaakt.
Het ontwikkelen van cloaking-apparaten kan enige tijd duren. Op korte termijn zullen de Berkeley-materialen waarschijnlijk nuttig zijn in telecommunicatie en microscopie. Golfgeleiders op nanoschaal en andere apparaten die van de materialen zijn gemaakt, kunnen een van de grootste uitdagingen van het verkleinen van optische communicatie tot chipniveau overwinnen: nauwkeurige controle van parallelle stromen informatierijk licht op dezelfde chip mogelijk maken, zodat ze elkaar niet storen. En de nieuwe materialen zouden op termijn ook kunnen worden ontwikkeld tot lenzen voor lichtmicroscopen. Zogenaamde superlenzen voor het omzeilen van fundamentele resolutiebeperkingen op lichtmicroscopen zijn ontwikkeld door Fang en anderen, en onthullen de werking van biologische moleculen met een resolutie op nanoschaal met behulp van ultraviolet licht, dat in grote doses schadelijk is voor levende cellen. Maar het is niet gelukt om superlenzen te maken die werken in de informatierijke en celvriendelijke zichtbare en nabij-infrarode delen van het spectrum.