Фізика
Технології
Фізика
Технології

Невидимість у різних діапазонах вдалось об’єднати в одному матеріалі

Ghost in the Shell / Production I.G, 1995

Ghost in the Shell / Production I.G, 1995

Новий спосіб проєктування метаматеріалів дозволив створити пристрій, невидимий одночасно у коротко- та довгохвильовому діапазонах. Вчені надихнулися морськими тваринами, які застосовують маскування проти хижаків, та запропонували об’єднати різні функціональні можливості метаструктур, які потім можна буде застосовувати на практиці шляхом наноімпринтінгу. Результати роботи вчених опубліковані в статті у журналі Science Advances.

Невидимість - це не вигадка фантастів?

Все, що ми бачили на власні очі, - це світло розсіяне або відбите предметами. Тому ми і не звертаємо уваги на вікна, наприклад, бо скло пропускає світло крізь себе. Якщо ж видимого світла немає, то можна застосувати камери нічного бачення - вони також використовують світло, проте, в інфрачервоному діапазоні. Таким чином, щоб сховатись від чийогось погляду, у вас є кілька варіантів. Можна бути майже ідеально прозорим і не спотворювати промені світла на їх шляху - як медузи. Можна у відповідь підлаштовуватись під ті промені, які б очікували побачити у вашу відсутність - як хамелеон чи нічні метелики Bunaea Alcinoe, які невидимі для летючих мишей навіть в ультразвуковому діапазоні. Або можна використовувати щось на кшталт плаща-невидимки, який би непомітно для спостерігача відновлював світлове поле, не реагуючи на промені.

Втілення подібних ідей завдяки прогресу вже не фантастика. Сучасні технології конструювання матеріалів з незвичайними і заздалегідь заданими властивостями - метаматеріалів, дозволяють досягти негативного показника заломлення, а отже змусити світлові промені огинати їх. Для спостерігача буде здаватися, що промені не зустрічають ніяких перешкод, а тому в цій області простору нічого немає. Так вже вдалося створити плащ-невидимку для мікрохвильового діапазону і навіть для всього видимого - від червоного до синього кольору. У новій же роботі китайські вчені поєднали невидимість для мікрохвиль та маскування для довгохвильового випромінювання в одній структурі.

Ракоподібний бокоплав з роду Cystisoma, яким надихались вчені, та схема “плаща-невидимки” для мікрохвильового випромінення. Сині промені є видимими для внутрішнього спостерігача, проте для зовнішнього він залишається невидимим(зелені промені), а світло(жовті промені), проходить наскрізь. Fu-Yan Dong, Jilin University / Science Advances, 2020

Ракоподібний бокоплав з роду Cystisoma, яким надихались вчені, та схема “плаща-невидимки” для мікрохвильового випромінення. Сині промені є видимими для внутрішнього спостерігача, проте для зовнішнього він залишається невидимим(зелені промені), а світло(жовті промені), проходить наскрізь. Fu-Yan Dong, Jilin University / Science Advances, 2020

Що створили вчені?

Новий пристрій складається з макроскопічних металевих мереж, які дають змогу отримати оптичну прозорість в діапазоні хвиль від 400 до 760 нанометрів та зменшити переріз розсіювання, тобто кількість відбитих частинок, для частоти випромінювання з 6 до 10 гігагерців. Це такий дизайн метаматеріалів, який балансує, об’єднує вимоги до невидимості матеріалів на різних довжинах хвиль та може бути нанесений на поверхню за допомогою техніки наноімпринтінгу.

Робота інженерів демонструє нові способи створення невидимих метаматеріалів: тепер є можливість створювати такі структури не лише для одного спектру випромінювання, а і для додатків, що використовують різні довжини хвиль. На дослідження їх наштовхнув прозорий ракоподібний бокоплав з роду Cystisoma. Вчені припустили, що він міг би набагато ефективніше уникати хижаків, якби враховував і особливості їхнього перехресного зору.

Приклад такого пристрою, під яким заховали значок з надписом «Університет Цзілинь» та збільшене схематичне зображення розробленої метаповерхні. Fu-Yan Dong, Jilin University / Science Advances, 2020

Приклад такого пристрою, під яким заховали значок з надписом «Університет Цзілинь» та збільшене схематичне зображення розробленої метаповерхні. Fu-Yan Dong, Jilin University / Science Advances, 2020

Як їм це вдалося?

На відміну від попередніх робіт, китайські вчені досягли невидимості в поперечних діапазонах довжин хвиль шляхом комбінування кількох схем невидимості. Свій експериментальний пристрій вони розробили з металевих мереж з надвисокою електропровідністю та нанорозмірного дроту з срібла та нікелю, які й забезпечують низьку оптичну провідність. В основі комбінації властивостей матеріалів лежить булева алгебра, але застосована не для управління, як в мікроелектроніці, потоками електронів, а для фотонів - потоків світла.

Техніку наноімпринтінгу застосували через її здатність забезпечити метаповерхню великої площі, яка може приховати макроскопічні об'єкти. Тому інженери використали її для нанесення матеріалу на гнучку ПЕТ-плівку, крізь яку могло проходити видиме світло(сині й жовті промені), залишаючи матеріал непомітним для зовнішнього спостерігача. Тим часом як амплітуда і фаза відбитих мікрохвильових променів від створеної метаповерхні повинні бути такими ж, як і у випадку їхнього відбиття від землі.