Теории маскировки обсуждают различные теории, основанные на науке и исследованиях , для создания электромагнитного маскирующего устройства . Представленные теории используют трансформационную оптику , маскировку событий, подавление дипольного рассеяния, туннельное пропускание света, датчики и активные источники, а также акустическую маскировку .
Маскирующее устройство — это устройство, в котором целью преобразования является сокрытие чего-либо, так что определенная область пространства невидимо изолирована от проходящих электромагнитных полей (см. Маскировка метаматериалом [1] [2] ) или звуковых волн. Объекты в определенном месте все еще присутствуют, но падающие волны направляются вокруг них, не подвергаясь воздействию самого объекта. Наряду с этим основным « маскирующим устройством », другие связанные концепции были предложены в рецензируемых научных статьях и обсуждаются здесь. Естественно, некоторые из обсуждаемых здесь теорий также используют метаматериалы, как электромагнитные, так и акустические , хотя часто иным образом, чем первоначальная демонстрация и ее преемник, широкополосный плащ .
Первое электромагнитное маскирующее устройство было создано в 2006 году с использованием метаматериалов с градиентным показателем преломления . Это привело к бурно развивающейся области трансформационной оптики (а теперь и трансформационной акустики), где распространение волн точно управляется путем управления поведением материала, через который проходит свет (звук).
Волны и материал-носитель, в котором они распространяются, находятся в симбиотических отношениях: оба действуют друг на друга. Простой пространственный плащ опирается на тонкую настройку свойств среды распространения, чтобы плавно направлять поток вокруг объекта, как вода, текущая мимо камня в ручье, но без отражения или без создания турбулентности. Другая аналогия — поток автомобилей, проезжающих через симметричный островок безопасности : автомобили временно отклоняются, но позже могут снова собраться в плавный поток, который не содержит никакой информации о том, был ли остров безопасности маленьким или большим, или были ли на нем посажены цветы или большой рекламный щит .
Хотя обе приведенные выше аналогии имеют подразумеваемое направление (направление потока воды или ориентации дороги), плащи часто проектируются так, чтобы быть изотропными , т.е. работать одинаково хорошо для всех ориентаций. Однако им не нужно быть настолько общими, и они могут работать только в двух измерениях, как в исходной электромагнитной демонстрации, или только с одной стороны, как в случае так называемого коврового плаща .
Пространственные плащи имеют и другие характеристики: все, что они содержат, может (в принципе) оставаться невидимым вечно, поскольку объект внутри плаща может просто оставаться там. Сигналы, испускаемые объектами внутри плаща, которые не поглощаются, также могут быть навсегда захвачены его внутренней структурой. Если бы пространственный плащ можно было бы выключать и включать снова по желанию, объекты внутри него появлялись бы и исчезали соответственно.
Событие-плащ — это средство манипулирования электромагнитным излучением в пространстве и времени таким образом, что определенный набор событий или событий скрывается от удаленных наблюдателей. Концептуально взломщик сейфов может проникнуть на место происшествия, украсть деньги и выйти, в то время как камера наблюдения все время фиксирует запертую и нетронутую дверь сейфа. Концепция использует науку метаматериалов, в которой свет может вести себя способами, которые не встречаются в природных материалах. [3]
Плащ событий работает, создавая среду, в которой различные части света, освещающие определенную область, могут быть либо замедлены, либо ускорены. Передовая часть света ускоряется, так что она приходит до того, как происходят события, в то время как задняя часть замедляется и приходит слишком поздно. После их возникновения свет преобразуется путем замедления передней части и ускорения задней части. Удаленный наблюдатель видит только непрерывное освещение, в то время как события, которые произошли в темный период работы плаща, остаются незамеченными. Концепция может быть связана с движением по шоссе: в определенный момент некоторые автомобили ускоряются, в то время как те, что сзади, замедляются. Результатом является временный разрыв в движении, позволяющий пешеходу перейти дорогу. После этого процесс может быть обращен вспять, так что движение возобновит свой непрерывный поток без разрыва. Рассматривая автомобили как частицы света (фотоны), действие пешехода, пересекающего дорогу, никогда не подозревается наблюдателем на шоссе, который видит непрерывный и невозмутимый поток автомобилей. [3] [4]
Для абсолютного сокрытия события должны быть неизлучающими. Если они излучают свет во время своего возникновения (например, флуоресценцией), то этот свет воспринимается удаленным наблюдателем как одна вспышка. [3]
Приложения Event Cloak включают возможность достижения `прерывания-без-прерывания' в каналах данных, которые сходятся в узле. Первичный расчет может быть временно приостановлен для обработки приоритетной информации из другого канала. После этого приостановленный канал может быть возобновлен таким образом, чтобы казалось, что он никогда не прерывался. [3]
Идея маскировки событий была впервые предложена группой исследователей из Имперского колледжа Лондона (Великобритания) в 2010 году и опубликована в журнале Journal of Optics. [3] Экспериментальная демонстрация базовой концепции с использованием нелинейной оптической технологии была представлена в препринте на Cornell physics arXiv . [5] Она использует временные линзы для замедления и ускорения света и, таким образом, улучшает первоначальное предложение Макколла и др. [3] , которое вместо этого полагалось на нелинейный показатель преломления оптических волокон . Эксперимент заявляет о скрытом временном интервале около 10 пикосекунд , но это расширение в наносекундные и микросекундные режимы должно быть возможным.
Также была предложена схема маскировки событий, которая требует одной дисперсионной среды (вместо двух последовательных сред с противоположной дисперсией) на основе ускоряющихся волновых пакетов. [6] Идея основана на модуляции части монохроматической световой волны с помощью прерывистого нелинейного частотного чирпа, так что в пространстве-времени создаются две противоположные ускоряющиеся каустики, поскольку различные частотные компоненты распространяются с различными групповыми скоростями в дисперсионной среде. Благодаря структуре частотного чирпа расширение и сжатие временного промежутка происходят непрерывно в одной и той же среде, таким образом создавая двояковыпуклый временной промежуток, который скрывает вложенные события. [6]
В 2006 году, в том же году, что и первый метаматериальный плащ, был предложен другой тип плаща. Этот тип маскировки использует резонанс световых волн, сопоставляя его с резонансом другого объекта. В частности, частица, помещенная рядом с суперлинзой, будет казаться исчезающей, поскольку свет, окружающий частицу, будет резонировать на той же частоте, что и суперлинза. Резонанс эффективно нейтрализует свет , отражающийся от частицы, делая частицу электромагнитно невидимой. [7]
В 2009 году было разработано пассивное маскирующее устройство, которое должно было быть «внешним невидимым устройством», которое оставляет скрытый объект открытым, чтобы он мог «видеть» свое окружение. Это основано на предпосылке, что исследования маскировки не дали адекватного решения неотъемлемой проблемы; поскольку никакое электромагнитное излучение не может войти или выйти из замаскированного пространства, это оставляет скрытый объект маскировки без возможности визуального или иного обнаружения чего-либо за пределами замаскированного пространства. [8] [9]
Такое маскирующее устройство также способно «скрывать» только части объекта, например, открывать виртуальный глазок на стене, чтобы видеть другую сторону. [10]
Аналогия с движением, использованная выше для пространственного плаща, может быть адаптирована (хотя и несовершенно) для описания этого процесса. Представьте, что автомобиль сломался в непосредственной близости от кольцевой развязки и нарушает транспортный поток, заставляя автомобили выбирать разные маршруты или создавая пробку . Этот внешний плащ соответствует тщательно деформированному кольцевому перекрестку, который умудряется отменить или нейтрализовать эффект сломанной машины — так что по мере того, как транспортный поток уходит, в нем снова нет никаких доказательств ни кольцевой развязки, ни сломанной машины.
Плазмонное покрытие , упомянутое наряду с метаматериальными покрытиями (см. плазмонные метаматериалы ), теоретически использует эффекты плазмонного резонанса для уменьшения общего сечения рассеяния сферических и цилиндрических объектов. Это метаматериальные покрытия без потерь вблизи их плазменного резонанса, которые могли бы, возможно, вызвать резкое падение сечения рассеяния, делая эти объекты почти «невидимыми» или «прозрачными» для внешнего наблюдателя. Могут использоваться пассивные покрытия с низкими потерями, даже без потерь, которые не требуют высокой диссипации, но полагаются на совершенно другой механизм. [11]
Для этого эффекта требуются материалы с отрицательными или низкими значениями конститутивных параметров. Определенные металлы вблизи их плазменной частоты или метаматериалы с отрицательными параметрами могли бы удовлетворить эту потребность. Например, несколько благородных металлов достигают этого требования из-за их электрической проницаемости в инфракрасном или видимом диапазоне длин волн с относительно низкими потерями. [11]
В настоящее время только микроскопически малые объекты могут казаться прозрачными. [11]
Эти материалы далее описываются как однородные, изотропные, метаматериальные покрытия около плазменной частоты, значительно уменьшающие поля, рассеиваемые данным объектом. Более того, они не требуют никакого поглощающего процесса, никакой анизотропии или неоднородности, и никакого подавления интерференции. [11]
«Классическая теория» метаматериала охватывает работы со светом только одной определенной частоты. Новое исследование Корта-Кампа и др . [12], которые выиграли премию «Школа нелинейной оптики и нанофотоники» 2013 года, показывает, что можно настроить метаматериал на различные частоты света.
Как подразумевается в номенклатуре, это тип передачи света. Передача света ( ЭМ-излучения ) через объект, такой как металлическая пленка, происходит с помощью туннелирования между резонирующими включениями. Этот эффект может быть создан, например, путем внедрения периодической конфигурации диэлектриков в металл. Создавая и наблюдая пики передачи, взаимодействия между диэлектриками и интерференционные эффекты вызывают смешивание и расщепление резонансов. При эффективной диэлектрической проницаемости, близкой к единице, результаты могут быть использованы для предложения метода превращения полученных материалов в невидимые. [2]
Существуют и другие предложения по использованию технологии маскировки.
В 2007 году рассматривается маскировка с помощью метаматериалов и указываются ее недостатки. В то же время, представляются теоретические решения, которые могли бы улучшить способность маскировки объектов. [13] [14] [15] [16] Позже в 2007 году математическое улучшение цилиндрического экранирования для создания электромагнитной «червоточины» анализируется в трех измерениях. [17] Электромагнитные червоточины, как оптическое устройство (не гравитационное), выведены из теорий маскировки и имеют потенциальные приложения для продвижения некоторых современных технологий. [18] [19] [20]
Другие достижения могут быть реализованы с помощью акустической суперлинзы . Кроме того, акустические метаматериалы реализовали отрицательное преломление для звуковых волн. Возможными достижениями могут быть улучшенное ультразвуковое сканирование, более четкое звуковое медицинское сканирование, сейсмические карты с большей детализацией и здания, больше не подверженные землетрясениям. Подземные изображения могут быть улучшены с более мелкими деталями. Акустическая суперлинза, акустическая маскировка и акустические метаматериалы трансформируются в новые приложения для фокусировки или управления звуковыми волнами. [21]
Технология акустической маскировки может быть использована для того, чтобы помешать наблюдателю, использующему сонар, обнаружить присутствие объекта, который обычно можно обнаружить, поскольку он отражает или рассеивает звуковые волны. В идеале технология должна охватывать широкий спектр вибраций в различных масштабах. Диапазон может быть от миниатюрных электронных или механических компонентов до крупных землетрясений. Хотя наибольший прогресс был достигнут в математических и теоретических решениях, недавно было продемонстрировано лабораторное метаматериальное устройство для уклонения от сонара. Его можно применять к звуковым длинам волн от 40 до 80 кГц. [21] [22] [23]
Волны также применимы к водоемам. Была разработана теория для плаща, который мог бы «скрыть» или защитить искусственные платформы, корабли и естественные береговые линии от разрушительных океанских волн, включая цунами. [22] [24] [25]