Метаматериальная маскировка — это использование метаматериалов в плаще-невидимке . Это достигается путем манипулирования путями, проходимыми светом, с помощью нового оптического материала. Метаматериалы направляют и контролируют распространение и передачу определенных частей светового спектра и демонстрируют потенциал сделать объект невидимым. Метаматериальная маскировка, основанная на трансформационной оптике , описывает процесс сокрытия чего-либо от поля зрения путем контроля электромагнитного излучения . Объекты в определенном месте все еще присутствуют, но падающие волны направляются вокруг них, не затрагиваясь самим объектом. [1] [2] [3] [4] [5]
Электромагнитные метаматериалы реагируют на выбранные части излучаемого света, также известного как электромагнитный спектр , таким образом, чего трудно или невозможно достичь с помощью природных материалов . Другими словами, эти метаматериалы можно далее определить как искусственно структурированные композиционные материалы , которые проявляют взаимодействие со светом, обычно недоступное в природе ( электромагнитные взаимодействия ). В то же время метаматериалы могут быть спроектированы и изготовлены с желаемыми свойствами, отвечающими конкретным потребностям. Эта потребность будет определяться конкретным приложением. [2] [6] [7]
Искусственная структура для маскировочных приложений представляет собой решетчатую конструкцию – последовательно повторяющуюся сеть – из идентичных элементов. Кроме того, по СВЧ- частотам эти материалы аналогичны кристаллам для оптики . Кроме того, метаматериал состоит из последовательности элементов и промежутков, которые намного меньше выбранной длины волны света . Выбранная длина волны может быть радиочастотным , микроволновым или другим излучением, которое сейчас только начинает достигать видимых частот . Макроскопическими свойствами можно напрямую управлять, регулируя характеристики рудиментарных элементов и их расположение на материале или по всему материалу. Более того, эти метаматериалы являются основой для создания очень маленьких маскирующих устройств в преддверии создания более крупных устройств, адаптируемых к широкому спектру излучаемого света. [2] [6] [8]
Следовательно, хотя свет состоит из электрического поля и магнитного поля , обычные оптические материалы, такие как линзы оптических микроскопов , сильно реагируют только на электрическое поле. Соответствующее магнитное взаимодействие практически равно нулю. В результате возникают только наиболее распространенные оптические эффекты , такие как обычное преломление с обычными дифракционными ограничениями в линзах и изображениях . [2] [6] [8]
С момента возникновения оптических наук , много веков назад, способность управлять светом с помощью материалов ограничивалась этими обычными оптическими эффектами. Метаматериалы, с другой стороны, способны к очень сильному взаимодействию или соединению с магнитным компонентом света. Таким образом, диапазон реакции на излучаемый свет выходит за рамки обычных оптических ограничений, которые описываются науками физической оптикой и оптической физикой . Кроме того, поскольку материалы искусственно созданы, как магнитными, так и электрическими компонентами излучаемого света можно управлять по желанию любым желаемым способом по мере его прохождения или, точнее, распространения через материал. Это связано с тем, что поведение метаматериала обычно формируется из отдельных компонентов, и каждый компонент независимо реагирует на излучаемый спектр света. Однако в настоящее время метаматериалы ограничены. Не удалось добиться маскировки в широком спектре частот , включая видимый спектр . Диссипация , поглощение и дисперсия также являются текущими недостатками, но эта область все еще находится в оптимистичном зачаточном состоянии. [2] [6] [8]
Область трансформационной оптики основана на эффектах, создаваемых метаматериалами. [1]
Трансформационная оптика берет свое начало в выводах двух исследовательских начинаний. Они были опубликованы 25 мая 2006 года в том же номере рецензируемого журнала Science . Эти две статьи представляют собой обоснованные теории об изгибе или искажении света для электромагнитного сокрытия объекта. Обе статьи, в частности, отображают первоначальную конфигурацию электромагнитных полей на декартовой сетке. Скручивание декартовой сетки, по сути, трансформирует координаты электромагнитных полей, которые, в свою очередь, скрывают данный объект. Таким образом, с этими двумя статьями родилась оптика преобразований. [2] [9] [10]
Трансформационная оптика предполагает возможность преломлять свет или электромагнитные волны и энергию любым предпочтительным или желаемым способом для желаемого применения. Уравнения Максвелла не меняются, даже если координаты преобразуются. Вместо этого это значения выбранных параметров материалов, которые «трансформируются» или изменяются в течение определенного периода времени. Итак, трансформационная оптика возникла из возможности выбирать параметры для данного материала. Следовательно, поскольку уравнения Максвелла сохраняют ту же форму, именно последовательные значения параметров, диэлектрической и магнитной проницаемостей , изменяются со временем. Кроме того, среди других описаний диэлектрическая проницаемость и проницаемость в некотором смысле являются реакциями на электрические и магнитные поля источника излучаемого света соответственно. Точную степень электрического и магнитного отклика можно контролировать в метаматериале, точка за точкой. Поскольку можно поддерживать такой большой контроль над реакциями материала, это приводит к созданию улучшенного и очень гибкого материала с градиентным индексом . Традиционно заданный показатель преломления обычных материалов вместо этого становится независимым пространственным градиентом в метаматериале, которым можно управлять по своему желанию. Таким образом, трансформационная оптика — это новый метод создания новых и уникальных оптических устройств . [1] [2] [7] [9] [11] [12]
Цель маскирующего устройства — скрыть что-либо, чтобы определенная область пространства была невидимо изолирована от проходящих электромагнитных полей (или звуковых волн ), как в случае с маскировкой из метаматериала . [5] [13]
Маскировка объектов или придание им невидимости с помощью метаматериалов примерно аналогична ловкости рук фокусника или его трюкам с зеркалами. Объект или субъект на самом деле не исчезают; исчезновение — это иллюзия. С той же целью исследователи используют метаматериалы для создания направленных слепых зон путем отклонения определенных частей светового спектра (электромагнитного спектра). Именно световой спектр как среда передачи определяет то, что может видеть человеческий глаз. [14]
Другими словами, свет преломляется или отражается, определяя видимый вид, цвет или иллюзию. Видимая степень света видна в хроматическом спектре, таком как радуга . Однако видимый свет — это лишь часть широкого спектра, который выходит за рамки зрения. Например, сегодня широко используются другие части светового спектра. Микроволновой спектр используется радаром , мобильными телефонами и беспроводным Интернетом . Инфракрасный спектр используется для технологий тепловидения , которые могут обнаружить теплое тело в более прохладной ночной среде, а инфракрасное освещение сочетается со специализированными цифровыми камерами для ночного видения . Астрономы используют терагерцовый диапазон для субмиллиметровых наблюдений , чтобы ответить на глубокие космологические вопросы.
Более того, электромагнитная энергия — это энергия света, но лишь малая часть ее является видимым светом . Эта энергия распространяется волнами. Более короткие волны, такие как видимый свет и инфракрасное излучение , несут больше энергии на фотон, чем более длинные волны, такие как микроволны и радиоволны . В науке спектр света известен как электромагнитный спектр . [14] [15] [16] [17]
Призмы , зеркала и линзы имеют долгую историю изменения дифрагированного видимого света, который окружает все. Однако контроль, демонстрируемый этими обычными материалами, ограничен. Более того, единственным материалом, который является общим для этих трех типов направляющих света, является обычное стекло . Следовательно, эти знакомые технологии ограничены фундаментальными физическими законами оптики . Что касается метаматериалов в целом и технологии маскировки в частности, похоже, что эти барьеры разрушаются с развитием материалов и технологий, никогда ранее не реализованных в естественных физических науках . Эти уникальные материалы стали известны тем, что электромагнитное излучение можно преломлять, отражать или искажать по-новому. Излучаемый свет можно даже замедлить или захватить перед передачей. Другими словами, разрабатываются новые способы фокусировки и проецирования света и других излучений. Кроме того, расширенные оптические возможности, представленные в науке о сокрытии объектов, кажутся технологически выгодными для широкого спектра уже используемых устройств. Это означает, что любое устройство с базовыми функциями, основанными на взаимодействии с излучаемым электромагнитным спектром, может стать технологически продвинутым. Благодаря этим начальным шагам был создан совершенно новый класс оптики. [15] [18] [19] [20] [21]
Интерес к свойствам оптики и света возник почти за 2000 лет до Птолемея (85 – 165 гг. н.э.). В своей работе под названием «Оптика» он пишет о свойствах света , включая отражение , преломление и цвет . Он разработал упрощенное уравнение преломления без тригонометрических функций . Примерно 800 лет спустя, в 984 году нашей эры, Ибн Сахл открыл закон преломления, математически эквивалентный закону Снеллиуса . За ним последовал самый известный исламский ученый Ибн аль-Хайсам (около 965–1039), который считается «одним из немногих самых выдающихся деятелей в оптике всех времен». [22] Он добился значительных успехов в науке физики вообще и оптики в частности. Он на сотни лет предвосхитил универсальные законы света, сформулированные учеными семнадцатого века. [15] [22] [23] [24]
В семнадцатом веке Виллеброрду Снеллиусу и Декарту приписывают открытие закона преломления. Именно Снеллиус заметил, что уравнение преломления Птолемея неточно. Следовательно, эти законы передавались без изменений в течение примерно 400 лет, как и законы гравитации. [15] [22] [23] [24]
Электромагнитное излучение и вещество находятся в симбиотических отношениях. Радиация не просто действует на материал и не просто подвергается воздействию данного материала. Излучение взаимодействует с веществом . Приложения маскировки, использующие метаматериалы, изменяют взаимодействие объектов с электромагнитным спектром . Руководящее зрение метаматериального плаща — это устройство, которое плавно направляет поток света вокруг объекта, как вода, текущая потоком мимо камня, без отражения , делая объект невидимым. На самом деле современные простые маскировочные устройства несовершенны и имеют ограничения. [14] [15] [25] [26] [27] [28] Одной из проблем до настоящего времени была неспособность метаматериалов и маскирующих устройств взаимодействовать на частотах или длинах волн в пределах спектра видимого света. [3] [28] [29]
Принцип маскировки с помощью маскирующего устройства был впервые доказан (продемонстрирован) на частотах диапазона микроволнового излучения 19 октября 2006 года. В этой демонстрации использовалось небольшое маскирующее устройство. Его высота составляла менее полдюйма (<13 мм), а диаметр — пять дюймов (125 мм), и он успешно отводил микроволны вокруг себя. В центре устройства располагался объект, который нужно было скрыть от глаз, — небольшой цилиндр. Плащ-невидимка отклонял микроволновые лучи , поэтому они обтекали внутренний цилиндр с лишь незначительными искажениями, создавая впечатление, будто там вообще ничего не было.
Такое устройство обычно предполагает окружение объекта, который необходимо скрыть, оболочкой, которая влияет на прохождение света рядом с ним. Уменьшилось отражение электромагнитных волн (микроволн) от объекта. В отличие от однородного природного материала, свойства материала которого везде одинаковы, свойства материала плаща меняются от точки к точке, причем каждая точка предназначена для определенных электромагнитных взаимодействий (неоднородность), и различны в разных направлениях (анизотропия). Это обеспечивает градиент свойств материала. Соответствующий отчет был опубликован в журнале Science . [3] [18] [29] [30]
Несмотря на успешную демонстрацию, можно указать на три заметных ограничения. Во-первых, поскольку его эффективность была только в микроволновом спектре, небольшой объект несколько невидим только на микроволновых частотах. Это означает, что невидимость не была достигнута для человеческого глаза , который видит только в пределах видимого спектра . Это связано с тем, что длины волн видимого спектра существенно короче, чем волны микроволн. Тем не менее, это считалось первым шагом на пути к устройству маскировки видимого света, хотя из-за коротких длин волн света потребуются более совершенные методы, связанные с нанотехнологиями . Во-вторых, только небольшие объекты могут выглядеть как окружающий воздух. В случае демонстрации маскировки в 2006 году скрытый от глаз объект, медный цилиндр, должен был быть менее пяти дюймов в диаметре и менее полдюйма в высоту. В-третьих, маскировка может происходить только в узком диапазоне частот для любой конкретной демонстрации. Это означает, что широкополосный плащ, который работает во всем электромагнитном спектре , от радиочастот до микроволнового, видимого спектра и рентгеновского излучения , в настоящее время недоступен. Это связано с дисперсной природой современных метаматериалов. Преобразование координат ( оптика преобразования ) требует необычайных материальных параметров, которые доступны только за счет использования резонансных элементов, которые по своей сути являются узкополосными и дисперсионными при резонансе. [1] [3] [4] [18] [29]
В самом начале нового тысячелетия метаматериалы были признаны необыкновенной новой средой, которая расширила возможности контроля над материей . Следовательно, метаматериалы применяются для маскировки приложений по нескольким причинам. Во-первых, параметр, известный как отклик материала, имеет более широкий диапазон. Во-вторых, материальной реакцией можно управлять по своему желанию. [15]
В-третьих, оптические компоненты, такие как линзы, реагируют на свет в определенном диапазоне . Как говорилось ранее, диапазон реагирования был известен и изучен еще во времена Птолемея – восемнадцать столетий назад. Диапазон реагирования не мог быть эффективно превышен, поскольку натуральные материалы оказались неспособны на это. В научных исследованиях и исследованиях одним из способов сообщить о диапазоне отклика является показатель преломления данного оптического материала. До сих пор каждый натуральный материал имел только положительный показатель преломления. Метаматериалы, с другой стороны, представляют собой инновацию, которая позволяет достичь отрицательного показателя преломления, нулевого показателя преломления и дробных значений между нулем и единицей. Следовательно, метаматериалы, помимо других возможностей, расширяют возможности материала. Однако отрицательное преломление не является тем эффектом, который создает маскировку-невидимку. Точнее сказать, что градации показателя преломления в сочетании создают маскировку-невидимку. В-четвертых, и наконец, метаматериалы демонстрируют способность по желанию доставлять выбранные ответы. [15]
Прежде чем собственно построить устройство, были проведены теоретические исследования. Ниже приводится одно из двух исследований, одновременно принятых научным журналом, а также одна из первых опубликованных теоретических работ по плащу-невидимке.
Использование «света», электромагнитного спектра , осуществляется с помощью обычных объектов и материалов, которые контролируют и направляют электромагнитные поля . Например, стеклянная линза в камере используется для создания изображения, металлическая клетка может использоваться для экранирования чувствительного оборудования, а радиоантенны предназначены для передачи и приема ежедневных FM-передач. Гомогенные материалы, которые манипулируют или модулируют электромагнитное излучение , такие как стеклянные линзы, ограничены верхним пределом уточнений для коррекции аберраций. Комбинации неоднородных материалов линз могут использовать градиентные показатели преломления , но диапазоны, как правило, ограничены. [2]
Метаматериалы были представлены около десяти лет назад, и они расширяют контроль над частями электромагнитного спектра ; от микроволнового до терагерцового и инфракрасного . Теоретически метаматериалы как среда передачи в конечном итоге расширят контроль и направление электромагнитных полей в видимый спектр . Таким образом, в 2006 году была представлена стратегия проектирования, чтобы показать, что метаматериал может быть спроектирован с произвольно назначенными положительными или отрицательными значениями диэлектрической проницаемости и проницаемости , которые также можно независимо изменять по желанию. Тогда становится возможным прямое управление электромагнитными полями, что имеет отношение к новой и необычной конструкции линз, а также является компонентом научной теории маскировки объектов от электромагнитного обнаружения. [2]
Каждый компонент независимо реагирует на излучаемую электромагнитную волну , проходящую через материал, что приводит к электромагнитной неоднородности каждого компонента. Каждый компонент имеет свою реакцию на внешние электрические и магнитные поля излучающего источника . Поскольку эти компоненты меньше длины волны излучения, понятно, что макроскопический вид включает в себя эффективное значение как диэлектрической проницаемости, так и проницаемости. Эти материалы подчиняются законам физики , но ведут себя иначе, чем обычные материалы. Метаматериалы — это искусственные материалы, созданные для обеспечения свойств, которые «могут быть недоступны в природе». Эти материалы обычно приобретают свои свойства благодаря структуре, а не составу, используя включение небольших неоднородностей для обеспечения эффективного макроскопического поведения .
Структурные единицы метаматериалов можно подгонять по форме и размеру. Их состав, а также форму и структуру можно точно регулировать. Включения можно спроектировать, а затем разместить в нужных местах, чтобы изменить функцию данного материала. Поскольку решетка постоянна, ячейки меньше, чем излучаемый свет. [6] [31] [32] [33]
В основе стратегии проектирования лежат неоднородные композитные метаматериалы , которые по своему желанию направляют сохраняющиеся количества электромагнетизма . Этими величинами являются, в частности, поле электрического смещения D , напряженность магнитного поля B и вектор Пойнтинга S. Теоретически, что касается сохраняющихся величин или полей, метаматериал демонстрирует двоякую способность. Во-первых, поля могут быть сконцентрированы в заданном направлении. Во-вторых, их можно заставить избегать объектов или окружать их, возвращаясь без помех на исходный путь. Эти результаты согласуются с уравнениями Максвелла и представляют собой нечто большее, чем просто лучевое приближение , встречающееся в геометрической оптике . Соответственно, в принципе, эти эффекты могут охватывать все формы явлений электромагнитного излучения во всех масштабах длины. [2] [9] [34]
Гипотетическая стратегия проектирования начинается с намеренного выбора конфигурации произвольного количества встроенных источников. Эти источники становятся локализованными реакциями диэлектрической проницаемости ε и магнитной проницаемости µ. Источники помещены в произвольно выбранную передающую среду с диэлектрическими и магнитными характеристиками. В качестве электромагнитной системы среду можно схематически представить в виде сетки. [2]
Первым требованием может быть перемещение однородного электрического поля через пространство, но в определенном направлении, избегая объекта или препятствия. Затем удалите и поместите систему в эластичный материал, который можно деформировать, скручивать, тянуть или растягивать по желанию. Начальное состояние полей записывается на декартовой сетке. Поскольку упругая среда деформируется в одной из описанных возможностей или в их комбинации, один и тот же процесс растяжения и растяжения фиксируется декартовой сеткой. Теперь можно записать тот же набор искажений, происходящих как преобразование координат :
Следовательно, диэлектрическая проницаемость ε и проницаемость µ пропорционально калибруются с помощью общего коэффициента. Это означает, что, менее точно, то же самое происходит и с показателем преломления. В новой системе координат применяются перенормированные значения диэлектрической и проницаемости . Уравнения перенормировки см. в ссылке. #. [2]
Учитывая вышеуказанные параметры работы, теперь можно показать, что система, являющаяся метаматериалом, способна скрывать объект произвольного размера. Его функция — манипулировать входящими лучами, которые вот-вот поразят объект. Вместо этого эти входящие лучи электромагнитно направляются вокруг объекта метаматериалом, который затем возвращает их на исходную траекторию. В рамках конструкции можно предположить, что никакое излучение не выходит из скрытого объема пространства и не может проникнуть в него. Как иллюстрирует функция метаматериала, любое излучение, пытающееся проникнуть, направляется вокруг пространства или объекта внутри пространства, возвращаясь в исходное направление. Любому наблюдателю кажется, что скрытый объем пространства пуст, даже если там присутствует какой-либо объект. Произвольный объект может быть скрыт, поскольку он остается нетронутым внешним излучением. [2]
В качестве скрываемого объекта выбрана сфера радиусом R 1 . Маскирующая область должна находиться внутри кольца R 1 < r < R 2 . Простое преобразование, позволяющее достичь желаемого результата, можно найти, взяв все поля в области r < R 2 и сжав их в область R 1 < r < R 2 . Преобразования координат не меняют уравнений Максвелла. Со временем изменяются только значения ε ′ и µ ′ .
Есть проблемы, которые необходимо решить, чтобы добиться маскировки-невидимки. Одной из проблем, связанных с трассировкой лучей , является анизотропное воздействие материала на электромагнитные лучи, попадающие в «систему». Параллельные пучки лучей ( см. изображение выше ), направляющиеся прямо к центру, резко искривляются и вместе с соседними лучами образуют все более и более узкие дуги . Это происходит из-за быстрых изменений теперь смещающихся и трансформирующихся диэлектрической проницаемости ε ′ и проницаемости µ ′ . Вторая проблема заключается в том, что, хотя было обнаружено, что выбранные метаматериалы способны работать в пределах параметров анизотропных эффектов и постоянного смещения ε ′ и µ ′ , значения ε ′ и µ ′ не могут быть очень большими или очень маленький. Третья проблема заключается в том, что выбранные метаматериалы в настоящее время не способны реализовать возможности широкого частотного спектра . Это связано с тем, что лучи должны огибать «скрытую» сферу и, следовательно, иметь более длинные траектории, чем траектории, пересекающие свободное пространство или воздух. Однако лучи должны прийти вокруг другой стороны сферы в фазе с начальным излучаемым светом . Если это происходит, то фазовая скорость превышает скорость света в вакууме , что является пределом скорости Вселенной. (Заметьте, это не нарушает законов физики). И при необходимом отсутствии частотной дисперсии групповая скорость будет идентична фазовой скорости . В контексте этого эксперимента групповая скорость никогда не может превышать скорость света, следовательно, аналитические параметры эффективны только для одной частоты . [2]
Тогда цель состоит в том, чтобы не создать заметной разницы между скрытым объемом пространства и распространением электромагнитных волн через пустое пространство. Казалось бы, достижение идеально скрытого (100%) отверстия, в которое объект можно было бы поместить и скрыть от глаз, маловероятно. Проблема в следующем: для передачи изображений свет распространяется в непрерывном диапазоне направлений. Данные рассеяния электромагнитных волн после отражения от объекта или отверстия уникальны по сравнению со светом, распространяющимся через пустое пространство, и поэтому легко воспринимаются. Свет, распространяющийся через пустое пространство, совместим только с пустым пространством. Сюда входят микроволновые частоты. [9]
Хотя математические рассуждения показывают, что идеальное сокрытие маловероятно из-за волновой природы света, эта проблема не применима к электромагнитным лучам, т. е. к области геометрической оптики . Несовершенства могут быть произвольными и экспоненциально малыми для объектов, размер которых намного превышает длину волны света. [9]
Математически это означает, что n < 1, поскольку лучи следуют по кратчайшему пути и, следовательно, теоретически создают идеальное укрытие. На практике, как отмечалось выше, наблюдается определенная приемлемая видимость. Диапазон показателя преломления диэлектрика (оптического материала) должен находиться в широком спектре , чтобы добиться сокрытия, с иллюзией, создаваемой распространением волн в пустом пространстве. Эти места, где n < 1, будут кратчайшим путем луча вокруг объекта без фазовых искажений. Искусственного распространения пустого пространства можно достичь в диапазоне от микроволнового до терагерцового . В технологии «стелс» согласование импедансов может привести к поглощению излучаемых электромагнитных волн, а не к их отражению, и, следовательно, к уклонению от обнаружения радаром . Эти общие принципы можно применить и к звуковым волнам , где индекс n описывает отношение локальной фазовой скорости волны к объемному значению. Следовательно, было бы полезно защитить пространство от обнаружения любого источника звука. Это также подразумевает защиту от гидролокатора. Более того, эти общие принципы применимы в различных областях, таких как электростатика , механика жидкости , классическая механика и квантовый хаос . [9]
Математически можно показать, что распространение волн неотличимо от пустого пространства, где световые лучи распространяются по прямым линиям. Среда выполняет оптическое конформное отображение в пустое пространство. [9]
Таким образом, следующим шагом будет фактическое сокрытие объекта путем управления электромагнитными полями. Теперь продемонстрированная и теоретическая способность управлять электромагнитными полями открыла новую область — трансформационную оптику . Эта номенклатура получена на основе преобразований координат, используемых для создания переменных путей распространения света через материал. Эта демонстрация основана на предыдущих теоретических предписаниях, а также на результатах эксперимента с призмой. Одним из возможных применений трансформационной оптики и материалов является электромагнитная маскировка с целью сделать объем или объект необнаружимым для падающего излучения, включая излучаемое зондирование. [3] [35] [36]
В этой демонстрации впервые реального сокрытия объекта электромагнитными полями используется метод намеренно спроектированного пространственного изменения. Это эффект внедрения в метаматериал специально созданных электромагнитных источников. [37]
Как обсуждалось ранее, поля, создаваемые метаматериалом, сжимаются в оболочку (координатные преобразования), окружающую теперь скрытый объем. Раньше это поддерживалось теорией; этот эксперимент продемонстрировал, что эффект действительно имеет место. Уравнения Максвелла являются скалярными при применении трансформационных координат, затрагиваются только тензор диэлектрической проницаемости и тензор проницаемости, которые затем становятся пространственно изменчивыми и зависимыми от направления вдоль разных осей. Исследователи заявляют :
Благодаря реализации этих сложных свойств материала скрытый объем и плащ при взгляде снаружи приобретают свойства свободного пространства. Таким образом, плащ не рассеивает волны и не оставляет тени, что позволило бы его обнаружить. Другие подходы к невидимости либо основаны на уменьшении обратного рассеяния, либо используют резонанс, при котором свойства замаскированного объекта и его свойства должны быть тщательно согласованы. ...Достижения в разработке [метаматериалов с отрицательным коэффициентом преломления], особенно в отношении линз с градиентным коэффициентом преломления, сделали возможной физическую реализацию указанных сложных свойств материала. Мы внедрили двумерный (2D) плащ, поскольку требования к его изготовлению и измерениям были проще, чем к трехмерному плащу. [3]
Перед фактической демонстрацией экспериментальные пределы трансформационных полей были определены с помощью вычислений в дополнение к моделированию, поскольку и то, и другое использовалось для определения эффективности плаща. [3]
За месяц до этой демонстрации в сентябре 2006 года были опубликованы результаты эксперимента по пространственной картографии внутренних и внешних электромагнитных полей метаматериала с отрицательной рефракцией. [37] Это было новаторством, поскольку до этого микроволновые поля измерялись только снаружи. [37] В этом сентябрьском эксперименте были измерены диэлектрическая проницаемость и проницаемость микроструктур (вместо внешней макроструктуры) образцов метаматериалов, а также рассеяние на двумерных метаматериалах с отрицательным показателем преломления. [37] Это дало средний эффективный показатель преломления, что приводит к предположению об однородности метаматериала. [37]
Используя эту технику для данного эксперимента, было проведено пространственное картирование фаз и амплитуд микроволнового излучения, взаимодействующего с образцами метаматериала. Эффективность плаща была подтверждена путем сравнения измеренных карт полей с результатами моделирования. [3]
В этой демонстрации скрытым объектом был проводящий цилиндр на внутреннем радиусе плаща. Будучи самым большим объектом, созданным для такого объема пространства, он обладает наиболее существенными рассеивающими свойствами. Проводящий цилиндр был эффективно скрыт в двух измерениях. [3]
Определение оптической частоты в литературе по метаматериалам варьируется от дальнего инфракрасного до ближнего инфракрасного диапазона в видимом спектре и включает по крайней мере часть ультрафиолета. На сегодняшний день, когда в литературе упоминаются оптические частоты, это почти всегда частоты инфракрасного диапазона, который находится ниже видимого спектра. В 2009 году группа исследователей объявила о маскировке на оптических частотах. В этом случае частота маскировки находилась на уровне 1500 нм или 1,5 микрометра – инфракрасного диапазона. [38] [39]
В январе 2011 года было продемонстрировано лабораторное устройство из метаматериала, применимое к ультразвуковым волнам. Его можно применять к звуковым длинам волн , соответствующим частотам от 40 до 80 кГц.
Акустический плащ из метаматериала предназначен для сокрытия предметов, погруженных в воду. Механизм маскировки метаматериала изгибает и искажает звуковые волны благодаря преднамеренной конструкции.
Механизм маскировки состоит из 16 концентрических колец цилиндрической формы. Каждое кольцо имеет акустические контуры. Он специально разработан для направления звуковых волн в двух измерениях.
Каждое кольцо имеет свой показатель преломления . Это приводит к тому, что звуковые волны меняют свою скорость от кольца к кольцу. «Звуковые волны распространяются вокруг внешнего кольца, направляемые каналами в схемах, которые изгибают волны, обертывая их вокруг внешних слоев плаща». Он образует массив полостей, которые замедляют скорость распространения звуковых волн. Экспериментальный цилиндр был погружен в воду, а затем исчез из сонара . От гидролокатора были скрыты и другие объекты различной формы и плотности. Акустический плащ продемонстрировал эффективность на частотах от 40 до 80 кГц. [40] [41] [42] [43]
В 2014 году исследователи создали трехмерный акустический плащ из сложенных друг на друга пластиковых листов, усеянных повторяющимися узорами отверстий. Пирамидальная геометрия стопки и расположение отверстий обеспечивают эффект. [44]
В 2014 году ученые продемонстрировали хорошие характеристики маскировки в мутной воде, продемонстрировав, что объект, окутанный туманом, может полностью исчезнуть, если его соответствующим образом покрыть метаматериалом. Это происходит из-за случайного рассеяния света, например того, которое происходит в облаках, тумане, молоке, матовом стекле и т. д., в сочетании со свойствами покрытия из метаматериала. Когда свет рассеян, тонкий слой метаматериала вокруг объекта может сделать его практически невидимым в различных условиях освещения. [45] [46]
Если к уравнениям Максвелла применить преобразование к квазиортогональным координатам , чтобы скрыть возмущение на плоской проводящей плоскости , а не в особой точке, как в первой демонстрации маски, основанной на трансформационной оптике, то объект можно спрятать под ней. возмущение. [47] Иногда его называют «ковровым» плащом.
Как отмечалось выше, в оригинальном плаще использовались резонансные элементы метаматериала для удовлетворения эффективных материальных ограничений. Использование в этом случае квазиконформного преобразования вместо неконформного исходного преобразования изменило требуемые свойства материала. В отличие от оригинального плаща (единичного расширения), «ковровый» плащ требовал менее экстремальных материальных ценностей. Для создания квазиконформного коврового плаща требовались анизотропные неоднородные материалы, которые менялись только по диэлектрической проницаемости . Более того, диэлектрическая проницаемость всегда была положительной. Это позволило использовать для создания маскировки нерезонансные элементы из метаматериала, значительно увеличив пропускную способность.
Автоматизированный процесс, управляемый набором алгоритмов , использовался для создания метаматериала, состоящего из тысяч элементов, каждый со своей геометрией . Разработка алгоритма позволила автоматизировать производственный процесс , в результате чего метаматериал был изготовлен за девять дней. Предыдущее устройство, использованное в 2006 году, было элементарным по сравнению с ним, а производственный процесс занял четыре месяца, чтобы создать устройство. [4] Эти различия во многом обусловлены различной формой трансформации: оригинальный плащ 2006 года трансформировал особую точку, тогда как версия с основной плоскостью трансформирует плоскость, а трансформация в ковровом плаще была квазиконформной, а не ненормальной. конформный.
Другие теории маскировки обсуждают различные научные и исследовательские теории создания электромагнитного плаща-невидимки. Представленные теории используют трансформационную оптику , маскировку событий, подавление диполярного рассеяния, туннельное пропускание света, датчики и активные источники, а также акустическую маскировку .
Исследования в области метаматериалов распространились на научно-исследовательские отделы американского правительства, включая Командование авиационных систем ВМС США , ВВС США и армию США . В этом участвуют многие научные учреждения, в том числе: [ нужна ссылка ]
Финансирование исследований этой технологии предоставляют следующие американские агентства: [48]
Благодаря этому исследованию стало понятно, что разработка метода управления электромагнитными полями может быть применена для обнаружения побегов с помощью излучающего зондирования или гидролокационной технологии, а также для улучшения связи в микроволновом диапазоне; что этот метод имеет отношение к созданию суперлинз и к сокрытию объектов внутри и от электромагнитных полей . [9]
20 октября 2006 года, на следующий день после того, как Университету Дьюка удалось окутать и «исчезнуть» объект в микроволновом диапазоне, об этой истории сообщило агентство Associated Press . [49] СМИ, освещавшие эту историю, включали USA Today, MSNBC’s Countdown With Keith Olbermann: Sight Unseen , The New York Times с маскировкой меди, Ученые делают шаг к невидимости , (Лондон) The Times с статьей « Не смотри сейчас — видимые выгоды в «В поисках невидимости» , «Christian Science Monitor» и «Исчезни в воздухе?» Ученые делают шаг к невидимости , австралийское радиовещание, Reuters с плащом-невидимкой на шаг ближе , а (Роли) News & Observer с « Плащом-невидимкой» на шаг ближе . [49]
6 ноября 2006 г. группа исследований и разработок Университета Дьюка была включена в список 50 лучших статей 2006 г. по версии журнала Scientific American. [50]
В ноябре 2009 года «исследования по проектированию и созданию уникальных «метаматериалов» получили финансирование в размере 4,9 миллионов фунтов стерлингов. плоские линзы, которые можно использовать для изображения крошечных объектов, размер которых намного меньше длины волны света». [51]
В ноябре 2010 года ученые из Университета Сент-Эндрюс в Шотландии сообщили о создании гибкого маскирующего материала, который они называют «Метафлекс», который может значительно приблизить промышленное применение. [52]
В 2014 году инженеры Duke создали первое в мире акустическое 3D-устройство. [53]
Недавно опубликованная теория предполагает, что плащ-невидимка в принципе возможен, по крайней мере, в узком диапазоне частот. Здесь мы описываем первую практическую реализацию такого плаща; В нашей демонстрации медный цилиндр был «спрятан» внутри плаща, сконструированного по предыдущему теоретическому рецепту. Плащ создан с использованием искусственно структурированных метаматериалов, предназначенных для работы в диапазоне микроволновых частот. Плащ уменьшал рассеяние от скрытого объекта и в то же время уменьшал его тень, так что плащ и объект вместе стали напоминать пустое пространство.
Благодаря появлению метаматериалов, трансформационная оптика предлагает большую универсальность для управления электромагнитными волнами для создания материалов со специально разработанными свойствами. Здесь мы рассматриваем потенциал трансформационной оптики для создания функциональных возможностей, в которых оптические свойства могут быть спроектированы практически по желанию. Этот подход можно использовать для создания различных эффектов оптических иллюзий, таких как плащ-невидимка.
{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: Внешняя ссылка |format={{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)Исследователи из Университета Иллинойса под руководством профессора механики и инженерии Николаса Фанга разработали акустический плащ, который делает погруженные объекты невидимыми.
{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: |author2=имеет общее название ( справка ) 148 страниц. " Диссертация представлена в частичном выполнении требований для получения степени доктора философии на кафедре физики в аспирантуре Университета Дьюка 2009 "