“Mũ tàng hình” vẫn vô hình

Cái mới nhất trong loạt "áo choàng tàng hình" là cái ra đời tại Đại học Rochester (1), sử dụng hệ thống quang học thích hợp. Tuy nhiên, những người hoài nghi gọi đó là một loại thủ thuật ảo ảnh hoặc hiệu ứng đặc biệt, trong đó một hệ thống thấu kính khéo léo khúc xạ ánh sáng và đánh lừa thị giác của người quan sát.

Có một số phép toán khá cao cấp đằng sau tất cả—các nhà khoa học cần sử dụng nó để tìm cách thiết lập hai thấu kính sao cho ánh sáng bị khúc xạ theo cách mà họ có thể giấu vật thể ngay phía sau chúng. Giải pháp này không chỉ hoạt động khi nhìn thẳng vào ống kính - góc 15 độ trở lên là đủ.

1. "Mũ tàng hình" của Đại học Rochester.

Nó có thể được sử dụng trong ô tô để loại bỏ điểm mù trong gương hoặc trong phòng phẫu thuật, cho phép bác sĩ phẫu thuật nhìn xuyên qua bàn tay của họ. Đây là một trong một loạt dài những tiết lộ về công nghệ vô hìnhđã đến với chúng tôi trong những năm gần đây.

Vào năm 2012, chúng tôi đã nghe nói về "Mũ tàng hình" từ Đại học Duke của Mỹ. Chỉ những người tò mò nhất mới đọc được rằng đó là về khả năng tàng hình của một hình trụ nhỏ trong một mảnh nhỏ của quang phổ vi sóng. Một năm trước đó, các quan chức Duke đã báo cáo về công nghệ tàng hình sonar có vẻ hứa hẹn trong một số lĩnh vực.

Thật không may, đó là tàng hình chỉ từ một quan điểm nhất định và trong một phạm vi hẹp, khiến công nghệ ít được sử dụng. Vào năm 2013, các kỹ sư không mệt mỏi tại Duke đã đề xuất một thiết bị in 3D ngụy trang một vật thể được đặt bên trong bằng các lỗ siêu nhỏ trong cấu trúc (2). Tuy nhiên, một lần nữa, điều này xảy ra trong một phạm vi sóng hạn chế và chỉ từ một quan điểm nhất định.

Trong các bức ảnh được công bố trên Internet, chiếc áo choàng của công ty Canada Hyperstealth trông có vẻ đầy hứa hẹn, được quảng cáo vào năm 2012 với cái tên hấp dẫn Tàng hình lượng tử (3). Thật không may, các nguyên mẫu hoạt động chưa bao giờ được chứng minh, cũng như không được giải thích cách thức hoạt động của nó. Công ty trích dẫn các vấn đề bảo mật là lý do và báo cáo một cách khó hiểu rằng họ đang chuẩn bị các phiên bản bí mật của sản phẩm cho quân đội.

Màn hình trước, camera sau

hiện đại đầu tiênmũ tàng hình» Được giới thiệu cách đây 4 năm bởi kỹ sư người Nhật GS. Susumu Tachi từ Đại học Tokyo. Anh ta sử dụng một chiếc máy ảnh đặt phía sau một người đàn ông mặc áo khoác cũng là một màn hình. Hình ảnh từ camera phía sau được chiếu lên nó. Người đàn ông mặc áo choàng đã "tàng hình". Một thủ thuật tương tự được sử dụng bởi thiết bị ngụy trang xe Adaptiv được giới thiệu trong thập kỷ trước bởi BAE Systems (XNUMX).

Nó hiển thị hình ảnh hồng ngoại "từ phía sau" trên lớp giáp của xe tăng. Một cỗ máy như vậy đơn giản là không được nhìn thấy trong các thiết bị quan sát. Ý tưởng che giấu đồ vật hình thành từ năm 2006. John Pendry của Đại học Hoàng gia Luân Đôn, David Schurig và David Smith của Đại học Duke đã công bố lý thuyết về "quang học biến đổi" trên tạp chí Khoa học và trình bày cách thức hoạt động của nó trong trường hợp vi sóng (bước sóng dài hơn ánh sáng khả kiến).

2. Một chiếc "mũ tàng hình" được in ba chiều.

Với sự trợ giúp của các siêu vật liệu thích hợp, sóng điện từ có thể bị bẻ cong theo cách vượt qua vật thể xung quanh và quay trở lại đường đi hiện tại của nó. Thông số đặc trưng cho phản ứng quang chung của môi trường là chiết suất, nó xác định ánh sáng chuyển động trong môi trường này chậm hơn bao nhiêu lần so với trong chân không. Chúng tôi tính toán nó như là gốc của tích của độ thấm điện và từ tương đối.

tính thấm điện tương đối; xác định lực tương tác điện trong một chất nhất định nhỏ hơn lực tương tác trong chân không bao nhiêu lần. Do đó, nó là thước đo mức độ mạnh mẽ của các điện tích bên trong một chất phản ứng với điện trường bên ngoài. Hầu hết các chất đều có hằng số điện môi dương, nghĩa là trường bị thay đổi bởi chất đó vẫn có ý nghĩa như trường ngoài.

Độ từ thẩm tương đối m xác định cách từ trường thay đổi trong một không gian chứa đầy một vật liệu nhất định, so với từ trường sẽ tồn tại trong chân không với cùng một nguồn từ trường bên ngoài. Đối với tất cả các chất tự nhiên, độ thấm từ tương đối là dương. Đối với môi trường trong suốt như thủy tinh hoặc nước, cả ba đại lượng đều dương.

Sau đó, ánh sáng truyền từ chân không hoặc không khí (các thông số của không khí chỉ khác một chút so với chân không) vào môi trường, bị khúc xạ theo định luật khúc xạ và tỷ số giữa sin của góc tới với sin của góc khúc xạ là bằng chiết suất của môi trường này. Giá trị nhỏ hơn XNUMX; và m có nghĩa là các electron bên trong môi trường chuyển động ngược hướng với lực do điện trường hoặc từ trường tạo ra.

Đây chính xác là những gì xảy ra trong kim loại, trong đó khí điện tử tự do trải qua các dao động của chính nó. Nếu tần số của sóng điện từ không vượt quá tần số của các dao động tự nhiên này của các electron, thì các dao động này sẽ che chắn điện trường của sóng hiệu quả đến mức chúng không cho phép nó xâm nhập sâu vào kim loại và thậm chí tạo ra một trường ngược chiều đến trường bên ngoài.

Kết quả là, độ thấm của vật liệu như vậy là âm. Không thể thâm nhập sâu vào kim loại, bức xạ điện từ được phản xạ từ bề mặt kim loại và bản thân kim loại thu được ánh sáng đặc trưng. Điều gì sẽ xảy ra nếu cả hai loại hằng số điện môi đều âm? Câu hỏi này được đặt ra vào năm 1967 bởi nhà vật lý người Nga Viktor Veselago. Hóa ra chiết suất của một môi trường như vậy là âm và ánh sáng bị khúc xạ theo một cách hoàn toàn khác so với định luật khúc xạ thông thường.

5. Khúc xạ âm trên bề mặt siêu vật liệu - trực quan

Sau đó, năng lượng của sóng điện từ được truyền về phía trước, nhưng cực đại của sóng điện từ di chuyển theo hướng ngược lại với hình dạng của xung và năng lượng được truyền. Những vật liệu như vậy không tồn tại trong tự nhiên (không có chất nào có tính thấm từ âm). Chỉ trong ấn phẩm năm 2006 được đề cập ở trên và trong nhiều ấn phẩm khác được tạo ra trong những năm tiếp theo, người ta mới có thể mô tả và do đó xây dựng các cấu trúc nhân tạo có chiết suất âm (5).

Chúng được gọi là siêu vật liệu. Tiền tố Hy Lạp "meta" có nghĩa là "sau", tức là đây là những cấu trúc được làm từ vật liệu tự nhiên. Siêu vật liệu thu được các đặc tính cần thiết bằng cách xây dựng các mạch điện nhỏ bắt chước các đặc tính điện hoặc từ của vật liệu. Nhiều kim loại có độ thẩm thấu điện âm, vì vậy chỉ cần chừa chỗ cho các nguyên tố tạo ra phản ứng từ âm là đủ.

Thay vì một kim loại đồng nhất, rất nhiều dây kim loại mỏng được sắp xếp theo dạng lưới hình khối được gắn vào một tấm vật liệu cách điện. Bằng cách thay đổi đường kính của dây và khoảng cách giữa chúng, có thể điều chỉnh các giá trị tần số mà tại đó cấu trúc sẽ có tính thấm điện âm. Để có được tính thấm từ âm trong trường hợp đơn giản nhất, thiết kế bao gồm hai vòng đứt làm bằng chất dẫn điện tốt (ví dụ: vàng, bạc hoặc đồng) và được ngăn cách bởi một lớp vật liệu khác.

Một hệ thống như vậy được gọi là bộ cộng hưởng vòng tách - viết tắt là SRR, từ tiếng Anh. Bộ cộng hưởng vòng chia (6). Do các khoảng trống trong các vòng và khoảng cách giữa chúng, nó có một điện dung nhất định, giống như tụ điện, và vì các vòng được làm bằng vật liệu dẫn điện nên nó cũng có một độ tự cảm nhất định, tức là khả năng tạo ra dòng điện.

Những thay đổi trong từ trường bên ngoài do sóng điện từ gây ra dòng điện chạy trong các vòng và dòng điện này tạo ra từ trường. Nó chỉ ra rằng với một thiết kế phù hợp, từ trường do hệ thống tạo ra sẽ hướng ngược lại với từ trường bên ngoài. Điều này dẫn đến tính thấm từ âm của vật liệu có chứa các nguyên tố đó. Bằng cách thiết lập các tham số của hệ thống siêu vật liệu, người ta có thể thu được phản ứng từ tính âm trong một dải tần số sóng khá rộng.

siêu xây dựng

Ước mơ của các nhà thiết kế là xây dựng một hệ thống trong đó các sóng lý tưởng sẽ chảy xung quanh vật thể (7). Năm 2008, lần đầu tiên trong lịch sử, các nhà khoa học tại Đại học California, Berkeley đã tạo ra vật liệu ba chiều có chiết suất âm đối với ánh sáng khả kiến ​​và cận hồng ngoại, bẻ cong ánh sáng theo hướng ngược với hướng tự nhiên của nó. Họ đã tạo ra một siêu vật liệu mới bằng cách kết hợp bạc với magie florua.

Sau đó, nó được cắt thành một ma trận bao gồm các kim thu nhỏ. Hiện tượng khúc xạ âm đã được quan sát thấy ở bước sóng 1500 nm (cận hồng ngoại). Đầu năm 2010, Tolga Ergin của Viện Công nghệ Karlsruhe và các đồng nghiệp tại Đại học Hoàng gia Luân Đôn đã tạo ra vô hình rèm cửa màu sáng. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng các vật liệu có sẵn trên thị trường.

Họ đã sử dụng các tinh thể quang tử đặt trên một bề mặt để che đi phần nhô ra cực nhỏ trên một tấm vàng. Vì vậy, siêu vật liệu được tạo ra từ các thấu kính đặc biệt. Các thấu kính đối diện với phần lồi trên tấm được đặt theo cách mà bằng cách làm lệch một phần sóng ánh sáng, chúng loại bỏ sự tán xạ ánh sáng trên phần lồi. Bằng cách quan sát tấm này dưới kính hiển vi, sử dụng ánh sáng có bước sóng gần với bước sóng của ánh sáng khả kiến, các nhà khoa học đã nhìn thấy một tấm phẳng.

Sau đó, các nhà nghiên cứu từ Đại học Duke và Đại học Hoàng gia Luân Đôn đã có thể thu được phản xạ âm của bức xạ vi sóng. Để có được hiệu ứng này, các phần tử riêng lẻ của cấu trúc siêu vật liệu phải nhỏ hơn bước sóng ánh sáng. Vì vậy, đây là một thách thức kỹ thuật đòi hỏi phải tạo ra các cấu trúc siêu vật liệu rất nhỏ phù hợp với bước sóng ánh sáng mà chúng phải khúc xạ.

Ánh sáng khả kiến ​​(tím đến đỏ) có bước sóng từ 380 đến 780 nanomet (một nanomet bằng một phần tỷ mét). Các nhà công nghệ nano từ Đại học St. Andrews của Scotland đã đến giải cứu. Họ có một lớp siêu vật liệu dạng lưới cực kỳ dày đặc. Các trang của Tạp chí Vật lý Mới mô tả một metaflex có khả năng bẻ cong các bước sóng khoảng 620 nanomet (ánh sáng đỏ cam).

Vào năm 2012, một nhóm các nhà nghiên cứu người Mỹ tại Đại học Texas ở Austin đã nghĩ ra một thủ thuật hoàn toàn khác bằng cách sử dụng lò vi sóng. Một hình trụ có đường kính 18 cm được phủ vật liệu plasma trở kháng âm, cho phép thao tác các thuộc tính. Nếu nó có các thuộc tính quang học hoàn toàn trái ngược với đối tượng ẩn, nó sẽ tạo ra một loại "tiêu cực".

Do đó, hai sóng chồng lên nhau và vật thể trở nên vô hình. Kết quả là, vật liệu này có thể uốn cong một số dải tần số khác nhau của sóng để chúng chảy xung quanh vật thể, hội tụ ở phía bên kia của vật thể, điều mà người quan sát bên ngoài có thể không nhận thấy. Các khái niệm lý thuyết đang nhân lên.

Khoảng một chục tháng trước, Advanced Optical Materials đã xuất bản một bài báo về một nghiên cứu có thể mang tính đột phá của các nhà khoa học tại Đại học Trung tâm Florida. Ai biết được liệu họ có thất bại trong việc vượt qua những hạn chế hiện có đối với "mũ vô hình» Được xây dựng từ siêu vật liệu. Theo thông tin họ công bố, sự biến mất của vật thể trong dải ánh sáng khả kiến ​​là có thể xảy ra.

7. Các cách lý thuyết bẻ cong ánh sáng trên một vật thể vô hình

Debashis Chanda và nhóm của ông mô tả việc sử dụng siêu vật liệu có cấu trúc ba chiều. Có thể có được nó nhờ cái gọi là. in nanotransfer (NTP), sản xuất băng điện môi kim loại. Chỉ số khúc xạ có thể được thay đổi bằng các phương pháp công nghệ nano. Đường truyền ánh sáng phải được kiểm soát trong cấu trúc bề mặt ba chiều của vật liệu bằng phương pháp cộng hưởng điện từ.

Các nhà khoa học rất thận trọng trong kết luận của họ, nhưng từ mô tả công nghệ của họ, rõ ràng là lớp phủ của vật liệu như vậy có khả năng làm chệch hướng sóng điện từ ở mức độ lớn. Ngoài ra, cách thu được vật liệu mới cho phép sản xuất các khu vực rộng lớn, khiến một số người mơ ước về các máy bay chiến đấu được ngụy trang như vậy sẽ cung cấp cho họ tàng hình hoàn chỉnh, từ radar đến ánh sáng ban ngày.

Các thiết bị che giấu sử dụng siêu vật liệu hoặc kỹ thuật quang học không gây ra sự biến mất thực sự của các vật thể, mà chỉ khiến chúng trở nên tàng hình trước các công cụ phát hiện và có lẽ sẽ sớm thôi đối với mắt. Tuy nhiên, đã có những ý tưởng cấp tiến hơn. Jeng Yi Lee và Ray-Kuang Lee từ Đại học Quốc gia Thanh Hoa Đài Loan đã đề xuất một khái niệm lý thuyết về một "chiếc mũ tàng hình" lượng tử có thể loại bỏ các vật thể không chỉ khỏi trường nhìn mà còn khỏi thực tế nói chung.

Điều này sẽ hoạt động tương tự như những gì đã thảo luận ở trên, nhưng phương trình Schrödinger sẽ được sử dụng thay cho phương trình Maxwell. Vấn đề là kéo dài trường xác suất của đối tượng sao cho nó bằng không. Về mặt lý thuyết, điều này là có thể ở cấp độ vi mô. Tuy nhiên, sẽ mất nhiều thời gian để chờ đợi khả năng công nghệ sản xuất một lớp vỏ như vậy. Giống như bất kỳ "mũ tàng hình“Có thể nói rằng cô ấy thực sự đang che giấu điều gì đó khỏi tầm nhìn của chúng tôi.