Las "gorras de invisibilidad" siguen siendo invisibles

El último de una serie de "capas de invisibilidad" es el nacido en la Universidad de Rochester (1), que utiliza el sistema óptico apropiado. Sin embargo, los escépticos lo llaman algún tipo de truco ilusionista o efecto especial, en el que un sistema inteligente de lentes refracta la luz y engaña la visión del observador.

Hay algunas matemáticas bastante avanzadas detrás de todo: los científicos deben usarlas para descubrir cómo configurar las dos lentes para que la luz se refracte de tal manera que puedan ocultar el objeto directamente detrás de ellas. Esta solución funciona no solo cuando se mira directamente a las lentes: un ángulo de 15 grados u otro es suficiente.

1. "Gorro de invisibilidad" de la Universidad de Rochester.

Se puede usar en automóviles para eliminar los puntos ciegos en los espejos o en los quirófanos, lo que permite a los cirujanos ver a través de sus manos. Esta es otra de una larga serie de revelaciones sobre tecnología invisibleque nos han llegado en los últimos años.

En 2012, ya escuchamos sobre el "Gorro de invisibilidad" de la Universidad estadounidense de Duke. Solo los más curiosos leyeron entonces que se trataba de la invisibilidad de un pequeño cilindro en un diminuto fragmento del espectro de microondas. Un año antes, los funcionarios de Duke informaron sobre la tecnología de sigilo de sonar que puede parecer prometedora en algunos círculos.

Desafortunadamente, fue invisibilidad sólo desde un cierto punto de vista y en un ámbito estrecho, lo que hizo que la tecnología fuera poco útil. En 2013, los incansables ingenieros de Duke propusieron un dispositivo impreso en 3D que camuflaba un objeto colocado en su interior con microagujeros en la estructura (2). Sin embargo, nuevamente, esto sucedió en un rango limitado de ondas y solo desde cierto punto de vista.

Las fotografías publicadas en Internet parecían capear la promesa de la empresa canadiense Hyperstealth, que en 2012 se publicitó bajo el intrigante nombre de Quantum Stealth (3). Desafortunadamente, nunca se han demostrado prototipos de trabajo, ni se ha explicado cómo funciona. La compañía cita problemas de seguridad como la razón e informa crípticamente que está preparando versiones secretas del producto para el ejército.

Monitor frontal, cámara trasera

primer modernogorro de invisibilidad» Introducido hace diez años por el ingeniero japonés Prof. Susumu Tachi de la Universidad de Tokio. Usó una cámara colocada detrás de un hombre que vestía un abrigo que también era un monitor. La imagen de la cámara trasera se proyectó en él. El hombre encapuchado era "invisible". Un truco similar es utilizado por el dispositivo de camuflaje de vehículos Adaptiv introducido en la década anterior por BAE Systems (4).

Muestra una imagen infrarroja "desde atrás" en la armadura del tanque. Tal máquina simplemente no se ve en los dispositivos de observación. La idea de enmascarar objetos tomó forma en 2006. John Pendry del Imperial College London, David Schurig y David Smith de la Universidad de Duke publicaron la teoría de la "óptica de transformación" en la revista Science y presentaron cómo funciona en el caso de las microondas (longitudes de onda más largas que la luz visible).

2. Una "gorra de invisibilidad" impresa en tres dimensiones.

Con la ayuda de metamateriales apropiados, una onda electromagnética se puede doblar de tal manera que pase por alto el objeto circundante y regrese a su camino actual. El parámetro que caracteriza la reacción óptica general del medio es el índice de refracción, que determina cuántas veces más lentamente que en el vacío, la luz se mueve en este medio. Lo calculamos como la raíz del producto de la permeabilidad relativa eléctrica y magnética.

permeabilidad eléctrica relativa; determina cuántas veces la fuerza de interacción eléctrica en una sustancia dada es menor que la fuerza de interacción en el vacío. Por lo tanto, es una medida de la fuerza con la que las cargas eléctricas dentro de una sustancia responden a un campo eléctrico externo. La mayoría de las sustancias tienen una permitividad positiva, lo que significa que el campo modificado por la sustancia sigue teniendo el mismo significado que el campo externo.

La permeabilidad magnética relativa m determina cómo cambia el campo magnético en un espacio lleno de un material dado, en comparación con el campo magnético que existiría en el vacío con la misma fuente de campo magnético externo. Para todas las sustancias naturales, la permeabilidad magnética relativa es positiva. Para medios transparentes como el vidrio o el agua, las tres cantidades son positivas.

Luego, la luz, que pasa del vacío o del aire (los parámetros del aire son solo ligeramente diferentes del vacío) al medio, se refracta de acuerdo con la ley de refracción y la relación entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es igual al índice de refracción de este medio. El valor es menor que cero; ym significa que los electrones dentro del medio se mueven en dirección opuesta a la fuerza creada por el campo eléctrico o magnético.

Esto es exactamente lo que sucede en los metales, en los que el gas de electrones libres sufre sus propias oscilaciones. Si la frecuencia de una onda electromagnética no excede la frecuencia de estas oscilaciones naturales de electrones, entonces estas oscilaciones filtran el campo eléctrico de la onda de manera tan efectiva que no le permiten penetrar profundamente en el metal e incluso crear un campo en dirección opuesta. al campo externo.

Como resultado, la permitividad de tal material es negativa. Incapaz de penetrar profundamente en el metal, la radiación electromagnética se refleja desde la superficie del metal y el metal en sí adquiere un brillo característico. ¿Y si ambos tipos de permitividad fueran negativos? Esta pregunta fue formulada en 1967 por el físico ruso Viktor Veselago. Resulta que el índice de refracción de dicho medio es negativo y la luz se refracta de una manera completamente diferente a la que sigue la ley habitual de refracción.

5. Refracción negativa en la superficie de un metamaterial - visualización

Luego, la energía de la onda electromagnética se transfiere hacia adelante, pero los máximos de la onda electromagnética se mueven en dirección opuesta a la forma del impulso y la energía transferida. Dichos materiales no existen en la naturaleza (no hay sustancias con permeabilidad magnética negativa). Solo en la publicación de 2006 mencionada anteriormente y en muchas otras publicaciones creadas en años posteriores, fue posible describir y, por lo tanto, construir estructuras artificiales con un índice de refracción negativo (5).

Se llaman metamateriales. El prefijo griego "meta" significa "después", es decir, se trata de estructuras realizadas a partir de materiales naturales. Los metamateriales adquieren las propiedades que necesitan mediante la construcción de pequeños circuitos eléctricos que imitan las propiedades magnéticas o eléctricas del material. Muchos metales tienen una permeabilidad eléctrica negativa, por lo que basta con dejar espacio para elementos que den una respuesta magnética negativa.

En lugar de un metal homogéneo, muchos cables metálicos delgados dispuestos en forma de rejilla cúbica están unidos a una placa de material aislante. Al cambiar el diámetro de los cables y la distancia entre ellos, es posible ajustar los valores de frecuencia en los que la estructura tendrá una permeabilidad eléctrica negativa. Para obtener permeabilidad magnética negativa en el caso más sencillo, el diseño consta de dos anillos rotos de un buen conductor (por ejemplo, oro, plata o cobre) y separados por una capa de otro material.

Tal sistema se llama resonador de anillo dividido, abreviado como SRR, del inglés. Resonador de anillo partido (6). Debido a los espacios en los anillos y la distancia entre ellos, tiene cierta capacitancia, como un capacitor, y como los anillos están hechos de material conductor, también tiene cierta inductancia, es decir, capacidad de generar corrientes.

Los cambios en el campo magnético externo de la onda electromagnética hacen que fluya una corriente en los anillos, y esta corriente crea un campo magnético. Resulta que con un diseño apropiado, el campo magnético creado por el sistema se dirige en dirección opuesta al campo externo. Esto da como resultado una permeabilidad magnética negativa de un material que contiene dichos elementos. Al establecer los parámetros del sistema metamaterial, se puede obtener una respuesta magnética negativa en un rango bastante amplio de frecuencias de onda.

meta - edificio

El sueño de los diseñadores es construir un sistema en el que las ondas fluyan idealmente alrededor del objeto (7). En 2008, científicos de la Universidad de California, Berkeley, por primera vez en la historia, crearon materiales tridimensionales que tienen un índice de refracción negativo para la luz visible e infrarroja cercana, desviando la luz en una dirección opuesta a su dirección natural. Crearon un nuevo metamaterial combinando plata con fluoruro de magnesio.

Luego se corta en una matriz que consta de agujas en miniatura. El fenómeno de la refracción negativa se ha observado en longitudes de onda de 1500 nm (infrarrojo cercano). A principios de 2010, Tolga Ergin del Instituto de Tecnología de Karlsruhe y colegas del Imperial College London crearon invisible cortina de luz. Los investigadores utilizaron materiales disponibles en el mercado.

Usaron cristales fotónicos colocados sobre una superficie para cubrir una protuberancia microscópica en una placa de oro. Entonces, el metamaterial se creó a partir de lentes especiales. Las lentes opuestas a la protuberancia en la placa están situadas de tal manera que, al desviar parte de las ondas de luz, eliminan la dispersión de la luz sobre la protuberancia. Al observar la placa bajo un microscopio, usando luz con una longitud de onda cercana a la de la luz visible, los científicos vieron una placa plana.

Posteriormente, investigadores de la Universidad de Duke y del Imperial College de Londres lograron obtener un reflejo negativo de la radiación de microondas. Para obtener este efecto, los elementos individuales de la estructura del metamaterial deben ser menores que la longitud de onda de la luz. Por lo tanto, es un desafío técnico que requiere la producción de estructuras de metamateriales muy pequeñas que coincidan con la longitud de onda de la luz que se supone que deben refractar.

La luz visible (violeta a rojo) tiene una longitud de onda de 380 a 780 nanómetros (un nanómetro es la mil millonésima parte de un metro). Nanotecnólogos de la Universidad Escocesa de St. Andrews acudieron al rescate. Obtuvieron una sola capa de metamaterial de malla extremadamente densa. Las páginas del New Journal of Physics describen un metaflex capaz de curvar longitudes de onda de unos 620 nanómetros (luz naranja-roja).

En 2012, un grupo de investigadores estadounidenses de la Universidad de Texas en Austin ideó un truco completamente diferente utilizando microondas. Se recubrió un cilindro con un diámetro de 18 cm con un material de plasma de impedancia negativa, lo que permite la manipulación de las propiedades. Si tiene exactamente las propiedades ópticas opuestas del objeto oculto, crea una especie de "negativo".

Así, las dos ondas se superponen y el objeto se vuelve invisible. Como resultado, el material puede doblar varios rangos de frecuencia diferentes de la onda para que fluyan alrededor del objeto, convergiendo en el otro lado, lo que puede no ser perceptible para un observador externo. Los conceptos teóricos se multiplican.

Hace aproximadamente una docena de meses, Advanced Optical Materials publicó un artículo sobre un estudio posiblemente innovador realizado por científicos de la Universidad de Florida Central. Quién sabe si no lograron superar las restricciones existentes en "sombreros invisibles» Construido a partir de metamateriales. Según la información que publicaron, la desaparición del objeto en el rango de luz visible es posible.

7. Formas teóricas de doblar la luz sobre un objeto invisible.

Debashis Chanda y su equipo describen el uso de un metamaterial con una estructura tridimensional. Fue posible conseguirlo gracias a los llamados. impresión por nanotransferencia (NTP), que produce cintas dieléctricas de metal. El índice de refracción se puede cambiar mediante métodos de nanoingeniería. El camino de propagación de la luz debe controlarse en la estructura tridimensional de la superficie del material utilizando el método de resonancia electromagnética.

Los científicos son muy cautelosos en sus conclusiones, pero a partir de la descripción de su tecnología queda bastante claro que los recubrimientos de dicho material son capaces de desviar las ondas electromagnéticas en gran medida. Además, la forma en que se obtiene el nuevo material permite la producción de grandes áreas, lo que ha llevado a algunos a soñar con luchadores cubiertos con tal camuflaje que les proporcionaría invisibilidad completa, desde el radar hasta la luz del día.

Los dispositivos de ocultación que utilizan metamateriales o técnicas ópticas no provocan la desaparición real de los objetos, sino solo su invisibilidad para las herramientas de detección y, pronto, tal vez, para el ojo. Sin embargo, ya hay ideas más radicales. Jeng Yi Lee y Ray-Kuang Lee de la Universidad Nacional Tsing Hua de Taiwán propusieron un concepto teórico de una "capa de invisibilidad" cuántica capaz de eliminar objetos no solo del campo de visión, sino también de la realidad en su conjunto.

Esto funcionará de manera similar a lo que se discutió anteriormente, pero se usará la ecuación de Schrödinger en lugar de las ecuaciones de Maxwell. El punto es estirar el campo de probabilidad del objeto para que sea igual a cero. Teóricamente, esto es posible a microescala. Sin embargo, tomará mucho tiempo esperar las posibilidades tecnológicas de fabricar tal cubierta. Como cualquiera "gorro de invisibilidad“Lo que se puede decir que ella realmente estaba escondiendo algo de nuestra vista.