Новые метаматериалы для суперлинз и плащей-невидимок
ВИДЕО: http://backreaction.blogspot.com/2022/09/the-new-meta-materials-for-superlenses.html [Это расшифровка видео, встроенного ниже. Некоторые объяснения могут не иметь смысла без анимации в видео.]
Мета — это греческая приставка, означающая “после”, и Аристотель использовал словосочетание “метафизика” для обозначения материала в своих работах, который появился буквально “после” того, как он покончил с физикой. Метафизика занимается некоторыми из наиболее важных вопросов, с которыми мы сталкиваемся в этот критический момент человеческой истории. Такие вопросы, как существуют ли дырки в сыре, существует ли сыр или существуют только атомы, из которых состоит сыр.
Но это не то, о чем мы будем говорить сегодня. Это видео о метаматериалах, которые, уверяю вас, не имеют ничего общего с сыром. Хотя, может быть, и немного. Метаматериалы — это следующая технологическая стадия “после” материалов. Это область исследований, которая невероятно быстро развивалась за последнее десятилетие, и которая включает в себя суперлинзы, плащи-невидимки, защиту от землетрясений, а также шоколад.
Что такое метаматериалы и для чего они хороши? Вот о чем мы сегодня поговорим.
Перво-наперво, что такое метаматериалы? Лингвистический подход может навести вас на мысль, что метаматериал — это то, что следует за материалом, так что, я думаю, это будет счет. Но это не совсем правильно. Метаматериал имеет специально разработанные микроструктуры, которые придают материалу новые свойства. Эти микроструктуры обычно представляют собой массивы, которые резонируют на определенных частотах и которые взаимодействуют либо с акустическими волнами, либо с электромагнитными волнами. Таким образом, метаматериалы можно использовать для управления звуком, теплом, светом и даже землетрясениями.
Это звучит довольно абстрактно, поэтому давайте начнем с конкретного примера — суперлинз.
Когда вы делаете снимок объекта глазами или камерой, вы собираете свет, который отражается от поверхности объекта с помощью объектива. Линзы работают за счет “преломления”, что означает, что они изменяют угол, под которым проходит свет. Если объект находится слишком близко к линзе, преломление больше не может свести свет. По этой причине вы не можете делать снимки предметов, которые находятся слишком близко к объективу.
Но не весь свет, отражающийся от объекта, уходит. Часть, которая уходит, называется дальним полем, но есть другая часть света, называемая ближним полем, которая остается вблизи поверхности объекта. Электромагнитные волны в ближнем поле колеблются, как обычно, но они не распространяются на расстояние, они затухают экспоненциально. Это также называется “мимолетной волной”.
На этом рисунке показано, как волны входят в среду на поверхности, которая является красной линией. Верхнее изображение представляет собой нормальную преломленную волну, которая продолжает распространяться в пространстве, но угол меняется, когда она попадает в среду. На нижнем изображении показана мимолетная волна, которая затухает с удалением от поверхности. Мимолетные волны содержат мельчайшие детали структуры объекта, но поскольку они не достигают камеры, эти детали теряются. И вы не можете подвести камеру произвольно близко к объекту, потому что тогда вы не смогли бы перефокусировать свет. И это позор, потому что, возможно, вы все-таки не сможете сосчитать волоски у меня на бровях.
Но в 2000 году британский физик сэр Джон Пендри из Имперского колледжа в Лондоне нашел способ использовать информацию в ближнем поле. Он сказал, что это достаточно просто, вы просто используете материал с отрицательным показателем преломления.
Что означает, что материал имеет отрицательный показатель преломления? У обычных материалов этого нет, но у метаматериалов это возможно. Когда луч света попадает в среду, то показатели преломления двух сред соотносят углы. Это называется законом Снелла. Если показатель преломления среды отрицательный, то это означает, что продолжение луча в среде также отражается от нормали к поверхности. Итак, он возвращается в том направлении, откуда пришел.
Как бы это выглядело?
Ну, как я уже сказал, материалы, с которыми мы обычно сталкиваемся в повседневной жизни, не имеют отрицательного показателя преломления, поэтому я не могу показать вам фотографию. Но мы можем проиллюстрировать, как это будет выглядеть. Вы, наверное, помните иллюзию “сломанного карандаша”. Если вы опустите половину карандаша в стакан с водой, то часть в воде покажется сдвинутой в сторону. Это потому, что свет преломляется в воде, но мозг интерпретирует визуальный сигнал так, как будто свет распространяется по прямым линиям. Если бы вода имела отрицательный показатель преломления, то нижняя часть карандаша не просто казалась бы сдвинутой, но и отражалась бы с другой стороны.
Аарону Даннеру пришла в голову отличная идея использовать трассировщик лучей для создания трехмерного изображения бассейна, заполненного водой с отрицательным показателем преломления. Вот изображение бассейна с обычной водой. А вот изображение с отрицательным показателем преломления. На что следует обратить внимание, так это на те три черные линии, которые указывают на угол бассейна. Обычно вы ожидаете, что это будет вне поля зрения, но поскольку эта странная вода смешивает преломление с отражением, теперь вы можете это увидеть. Если бы в бассейне была рыба, казалось бы, что она плавает на поверхности воды. Что, я не знаю, известно ли вам, но это не то, что должна делать рыба.
Какое это имеет отношение к линзам? Хорошо помните, что вам нужны линзы для сбора лучей света. Но если вы поместите лист среды с отрицательным показателем преломления между двумя листами с нормальным показателем преломления, это в основном развернет световые лучи и эффективно сфокусирует их. Он действует как линза. И, что немаловажно, это также работает для мимолетных волн, которые обычно теряются. Они тоже фокусируются и предотвращаются от распада. Вот почему метаматериалы с отрицательным преломлением изображения могут достигать разрешения, которого невозможно достичь с помощью обычных линз.
Суперлинза была впервые создана в 2005 году исследователями из Калифорнийского университета в Беркли. Их линза была сделана из серебряного листа толщиной всего 35 нанометров. В этом случае структура материала возникает из-за колебаний электронной плотности в серебре, которые усиливают мимолетные волны, исходящие от объекта. Чтобы это сработало, вы должны поместить предмет непосредственно в контакт с серебряной поверхностью.
Это изображение (А) представляет собой литографию, сделанную сфокусированным ионным пучком, так что это контрольное изображение. Это изображение (C) представляет собой оптический контроль без суперлинз. А это изображение (B) — изображение со сверхлинзой. Вы можете ясно видеть, что изображение с суперлинзой имеет более высокое разрешение. Этот график D показывает разницу в точности между изображениями со сверхлинзами, это синяя кривая, по сравнению с изображениями без сверхлинз, это красная кривая.
Хотя такой скачок разрешения может показаться хорошим, эти объективы довольно непрактичны. Вы должны поместить метаматериал непосредственно в контакт с тем, что вы хотите запечатлеть, а затем поместить камеру сверху. Таким образом, это избавляет от селфи-палок, но, к сожалению, также портит ваш макияж. Вот почему в прошлом году группа исследователей из Ирана и Швейцарии опубликовала статью в журнале Scientific Reports, в которой они предлагают использовать метаматериал для превращения ближнего поля в дальнее, чтобы вы могли разместить свою камеру в другом месте.
Они называют это устройство “гиперлинзой”, что для меня звучит так, как будто это суперлинза, которая выпила слишком много кофе, но они имеют в виду сетку из алюминиевых наностержней, которые резонируют на длинах волн в видимой части спектра. На данный момент это всего лишь компьютерное моделирование, но идея заключается в том, что резонанс преобразует затухающие моды в распространяющиеся моды, так что затем вы можете захватить их в другом месте. Исследователи утверждают, что, по крайней мере, в их численном моделировании эта структура может отображать биологические ткани с разрешением в десятую часть длины волны света. Предел разрешающей способности обычных объективов составляет около четверти длины волны.
Давайте тогда поговорим о том, что, вероятно, является самым известным применением метаматериалов — плаще-невидимке. Возможно, вы читали заголовки об этом несколько лет назад. Метаматериалы делают возможными плащи-невидимки, потому что с отрицательным показателем преломления вы можете отклонять свет в направлении, противоположном тому, что делают обычные материалы. Это означает, что, по крайней мере теоретически, при правильном сочетании материалов и метаматериалов вы можете изгибать свет вокруг объекта. Нам кажется, что объекта там нет, опять же потому, что мозг предполагает, что свет распространяется по прямым линиям.
Это звучит довольно круто, и действительно, ученым есть что показать, или, может быть, в данном случае лучше сказать * не показывать. В ранних экспериментах середины 2000-х годов в основном использовались микроволны. Но в 2015 году команда исследователей из Китая создала плащ-невидимку, работающий в инфракрасном диапазоне. На этом рисунке (рис. 1f) вы видите, как перенаправляется свет. Они использовали несколько треугольников из германия и придали им очень точную геометрическую конфигурацию, так что внутри образовалась скрытая область. Вы могли бы сказать, что это не такой уж метаматериал, но идея та же: вы создаете структуры по своему усмотрению, чтобы перенаправлять волны так, как вам хочется. В эту скрытую область они помещают мышь. (Рис. 2b). Затем они сделали снимок с плащом и без него (рис. 4a и 4b). Половина мыши исчезла!
Плащи-невидимки в видимой части спектра еще не созданы, но существуют некоторые щиты-полу-невидимки, например, этот от компании Hyperstealth Corp. Они работают не за счет изгиба света вокруг объектов, а за счет распространения света в горизонтальной плоскости. Если у вас узкий объект, то его изображение будет подавлено светом, исходящим от боковых сторон объекта, который размывает то, что находится позади. Это особенно хорошо работает, когда фон однородный. Однако на самом деле это не щит-невидимка. Самый простой способ создать щит невидимости — это установить камеру позади себя и спроецировать ее на экран перед собой.
Вы также можете использовать метаматериалы для манипулирования электромагнитными полями, которые не находятся в оптическом диапазоне. Например, как я объяснял в этом предыдущем видео, основная проблема с беспроводной передачей энергии заключается в том, что мощность очень быстро уменьшается с расстоянием от отправителя. Однако “магнитная суперлинза” могла бы расширить этот охват.
То, что это работает, было показано в статье группы американских исследователей в 2014 году. На этом рисунке показана разница между беспроводной передачей энергии с использованием магнитной суперлинзы по сравнению с беспроводной передачей энергии через свободное пространство. По оси y мы имеем эффективность беспроводной передачи энергии, а по оси x — расстояние в метрах. Сплошная черная линия представляет беспроводную передачу энергии через свободное пространство, которая быстро падает до почти нулевых значений по мере увеличения расстояния.
Цветные линии представляют собой беспроводную передачу энергии с использованием магнитной суперлинзы, состоящей из метаматериалов. Вы видите, что в лучшем случае вы можете расширить зону досягаемости на несколько сантиметров. И обратите внимание, что эффективность во всех случаях выражается однозначными цифрами. Итак, хорошая идея, но на практике это не имеет большого значения.
Другим типом волн, которыми вы можете манипулировать, являются акустические волны. Акустические метаматериалы на самом деле не являются чем-то новым. Звукопоглощающая пена, подобная этой, использует в основном ту же идею. В нем много крошечных отверстий. Итак, вы видите, это что-то вроде сыра. Отверстия очень затрудняют отскок звуковых волн на определенных частотах, что в основном убивает эхо. Если я оберну это вокруг своей головы, вы почувствуете разницу. Закутав голову в один из них, вы, как правило, улучшите свое восприятие окружающего мира, настоятельно рекомендуется.
Метаматериалы — это более сложные версии этого. Вы можете, например, сконструировать их так, чтобы они поглощали только определенные частоты, это называется звуковым или фононным кристаллом. Еще одна вещь, которую вы можете сделать, — это отразить сигнал обратно, не распространяя его. Это было сделано группой исследователей из Китая и США в 2018 году. Материалом, который они использовали, была просто пластиковая тарелка со спиральной структурой, которая эффективно изменяет показатель преломления. Они говорят, что применение могло бы заключаться в том, чтобы облегчить обнаружение транспортных средств. Хотя я подозреваю, что их метаматериал продавался бы лучше, если бы он делал автомобиль менее заметным.
Вы также можете использовать акустические метаматериалы для создания акустического типа суперлинз, что было сделано для ультразвука, но это решение все еще остается проблемой. И, как вы можете догадаться, они пытаются создать акустические щиты-невидимки. Это было сделано, например, под водой с помощью ультразвука, что отлично подходит, если вы хотите спрятаться от дельфинов. А в 2014 году группа из Университета Дьюка использовала пирамиду со специальной структурой поверхности, которая заставляет ее отражать звук так, как если бы это была пустая плоскость. Вот как выглядела бы эта пирамида, если бы вы могли видеть звук. Пирамида полая, так что вы можете спрятать вещи внутри. Может быть, они наконец-то поняли, что задумали египтяне?
Еще одно применение метаматериалов — защита от землетрясений. Подобно тому, как вы можете использовать структуры в материалах, чтобы изменить способ распространения света и звука, вы можете изменить свойства грунта, чтобы изменить способ распространения сейсмических волн. Для этого вы встраиваете конструкции вокруг зданий или под ними, чтобы сейсмические волны отклонялись вокруг здания. Вы фактически делаете здание невидимым для землетрясений.
Например, группа из лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института использует массивы скважин, которые либо заполнены, либо пусты, для перенаправления сейсмических волн. На самом деле они не создали пример из реального мира, но они провели измерения на уменьшенных физических моделях и провели компьютерное моделирование.
Это изображение является иллюстрацией того, как теоретически могут работать сейсмические барьеры. Зеленые волнистые линии — это поверхностные волны, синие волнистые линии — P-волны, а черные стрелки — S-волны. Все эти волны частично перенаправляются и рассеиваются.
По крайней мере, при компьютерном моделировании эффект маскировки весьма впечатляет, как вы можете видеть на этом изображении из статьи 2017 года. Для этого они использовали данные реального землетрясения, землетрясения на шахте Гектор, которое произошло в Южной Калифорнии в 1999 году. Его магнитуда составила 7,1. Барьеры из метаматериала эффективно уменьшили его до землетрясения магнитудой 4,5. И всего несколько месяцев назад группа из Китая предложила другой метаматериал для гашения сейсмических волн. Они хотят использовать сталь, заделанную в цилиндры из пенопласта.
Posted by Sabine Hossenfelder at 8:00 AM