Darüber hinaus Unsichtbarkeit: Engineering Licht mit Metamaterialien
Arbeit mit Licht
Wissenschaftler haben lange gefragt, ob sie ein Material mit einer negativen Brechungsindex bei einer bestimmten Frequenz machen könnte. Das würde beispielsweise bedeuten, dass Licht in die entgegengesetzte Richtung biegen würde, bei der Eingabe des Materials ermöglicht neue Arten von Linsen zu erfolgen. Nichts in der Natur passt in diese Kategorie. Die Eigenschaften eines solchen Materials – waren sie existieren – wurden im Jahr 1967 von Victor Veselago vorhergesagt.
Diese ungeraden Materialien haben Eigenschaften, die sehr seltsam im Vergleich zu unseren alltäglichen Erfahrungen aussehen. In der folgenden Abbildung sehen wir zwei Tassen Wasser, jeweils mit einem Strohhalm drin. Das Bild auf der linken Seite ist was geschieht in der Regel – Abschnitt des Strohs im Wasser scheint aus dem Teil das Stroh, das in der Luft getrennt. Das Bild wird verdrängt, weil Luft und Wasser brechen das Licht anders.
Das Bild auf der rechten Seite zeigt an, wie das Stroh aussehen würde, wenn die Flüssigkeit ein Material mit einer negativen Brechungsindex waren. Da das Licht in die entgegengesetzte Richtung gebeugt wird, ist das Bild umgekehrt, die beobachteten Illusion.
Während Wesselago dieser Materialien in den späten 1960er Jahren vorstellen konnte, konnte er nicht begreifen, einen Weg, um sie zu erstellen. Es dauerte weitere 30 Jahre bevor John Pendry Veröffentlichungen 1996, 1998 und 1999 zu beschreiben wie man künstliche Verbundmaterial, das er ein metamaterial nannte.
Metamaterialien machen
Seit den ersten versuchen haben mehrere Forschungsgruppen Metamaterialien, die Arbeiten im infraroten gemacht; Einige sind am Rande des sichtbaren Teil des Spektrums Sockelleiste. Für diesen kurzen Wellenlängen sind Leiterplatten, Kupferdrähte und Stiften viel zu groß. Stattdessen müssen die Strukturen, Mikro und Nano-Fertigung Techniken ähnlich was verwendet, um Computer-Chips zu verwenden.
"Unsichtbarkeit" erstellen
Kurz nachdem die ersten Metamaterialien hergestellt wurden, begannen die Forscher technische Anwendungen, für die sie nützlich wäre. Eine Anwendung, die eine Menge Presse bekam war die Schaffung einer "Tarnkappe".
Normalerweise, wenn ein Mikrowellen-Radar auf ein Objekt gerichtet waren, würde ein Teil der Strahlung absorbieren und reflektieren würde einige aus. Sensoren können diese Störungen zu erkennen und zu rekonstruieren, wie das Objekt muss ausgesehen haben. Wenn ein Objekt von metamaterial Mantel umgeben ist, biegt dann Radar-Signal um das Objekt weder absorbiert werden noch reflektiert – als ob das Objekt nie dort waren.
Durch die Schaffung einer Metamaterials Schicht auf der Oberfläche eines Objekts, können Sie ändern, was passiert mit dem Licht, das das Objekt trifft. Warum ist das wichtig? Wenn Sie ein noch Wasserbecken betrachten, ist es nicht verwunderlich, Ihr Spiegelbild zu sehen. Wenn Sie eine Taschenlampe an einem Teich in der Nacht zeigen, Strahlen etwas von diesem Licht prallt ab auf die Bäume über.
Jetzt stellen Sie sich vor, Sie könnten Mantel der Oberfläche der, dass Teich mit ein metamaterial, die für alle sichtbaren Spektrums gearbeitet. Das würde alle Reflexion zu entfernen – Sie würde nicht Ihr eigenes Spiegelbild, noch kein Licht in den Wald hüpfen sehen.
Diese Art der Steuerung ist sehr nützlich für die Bestimmung, insbesondere welche Art von Licht kann betreten oder verlassen eines Materials oder eines Geräts. Beispielsweise könnte Solarzellen mit Metamaterialien, die nur bestimmte zugeben würde beschichtet werden (z. B. sichtbar) Frequenzen des Lichts für die Umstellung auf Elektrizität, und alle anderen Licht auf ein anderes Gerät, das die verbleibende Energie als Wärme sammelt widerspiegeln würde.
Die Zukunft der Welle engineering
Ingenieure sind jetzt erstellen Metamaterialien mit was eine dynamische Reaktion genannt wird, was bedeutet, dass ihre Eigenschaften variieren je nachdem, wie viel Strom durch sie fließt, oder was Licht an sie richtet. Zum Beispiel können ein dynamischer metamaterial Filter Durchgang von Licht nur im Nahen Infrarot bis Strom angewendet wird, an welcher Stelle es durch nur mittleren infraroten Licht lässt. Diese Fähigkeit, die Reaktionsfähigkeit der Metamaterialien "tune" hat ein großes Potenzial für zukünftige Anwendungen, einschließlich Anwendungen, die wir noch vorstellen können.
Das erstaunliche an all die wunderbaren Möglichkeiten der Metamaterialien Wechselwirkung mit Licht ist, dass das Prinzip viel breiter funktioniert. Die gleiche Mathematik, die die Struktur benötigt, um diese Effekte für Licht produzieren vorhersagen kann das Zusammenspiel der Materialien mit jeder Art von Wellen angewendet werden.
Eine Gruppe in Deutschland wurde erfolgreich erstellt, einen thermischen Mantel, Heizung durch Biegen des Wärmeflusses um ihn herum – genau wie eine Tarnkappe Licht beugt eine Fläche verhindert. Das Prinzip wurde auch für Schallwellen verwendet und ist auch für seismische Schwingungen diskutiert worden. Das öffnet das Potenzial für die Herstellung eines Gebäudes "unsichtbar" zu Erdbeben! Wir sind erst am Anfang zu entdecken, wie sonst wir Metamaterialien und ihre zugrunde liegenden Prinzipien nutzen könnte.
Thomas Vandervelde, Associate Professor für elektrische und Computertechnik, Tufts University
Dieser Artikel erschien ursprünglich auf das Gespräch. Lesen Sie die