V filmu Star Trek IV: The Voyage Home posadka podjetja zajame bojni križar Klingon. Za razliko od ladij zvezne flote federacije so ladje klingonskega cesarstva opremljene s skrivno "prikrivalno napravo", ki jih lahko naredi očem in radarjem nevidne. Ta naprava omogoča, da ladje Klingon ostanejo neopaženo na repu ladij federacije in nekaznovano udarijo. Zahvaljujoč prikrivajoči se napravi ima Klingonsko cesarstvo strateško prednost pred federacijo planetov.
Ali je takšna naprava dejansko mogoča? Nevidnost je že dolgo postala eno izmed običajnih čudes znanstvenih fantastičnih in fantazijskih del - od "Nevidnega človeka" do čarobnega plašča nevidnosti Harryja Potterja ali prstana iz "Gospoda prstanov". Kljub temu pa fiziki že vsaj sto let soglasno zanikajo možnost ustvarjanja nevidnih ogrinjala in nedvoumno trdijo, da to ni mogoče: ogrinjala, pravijo, kršijo zakone optike in se ne strinjajo z nobeno od znanih lastnosti materije.
Toda danes je nemogoče mogoče postati. Napredek na področju "metamaterialov" sili k pomembni reviziji učbenikov o optiki. Delovni vzorci takšnih materialov, ki so bili ustvarjeni v laboratoriju, so zelo zanimivi za medije, industrijalce in vojsko; vse zanima, kako narediti vidno nevidno.
Nevidnost v zgodovini
Nevidnost je morda eden najstarejših pojmov v starodavni mitologiji. Od začetka časa je človek, ki je ostal sam v noči zastrašujoče tišine, čutil prisotnost nevidnih bitij in se jih bal. Vse okoli njega je v temi skrivalo duhove mrtvih - duše tistih, ki so šli pred njim. Grškemu junaku Perseju, oboroženemu z nevidno čelado, je uspelo ubiti hudobnega gorgona Meduzo. Generali vseh časov so sanjali o prikrivajoči se napravi, ki bi jim omogočila, da postanejo sovražniku nevidni. Z nevidnostjo bi zlahka prodrl sovražnikovo obrambno črto in ga presenetil. Kriminalisti bi lahko nevidnost uporabili za zagrete rope.
V Platonovi teoriji etike in morale je nevidnost igrala glavno vlogo. V svojem filozofskem delu "Država" nam je Platon povedal mit o prstanu Giga. V tem mitu revni, a pošteni pastir Gigus iz Lidije vstopi v skrivno jamo in tam najde grob; na prstu trupla vidi zlati prstan. Gig nadalje odkrije, da ima prstan magične moči in ga lahko naredi nevidnega. Ubogi pastir je dobesedno pijan od moči, ki mu jo je prstan dal. Ko se je prebil v kraljevo palačo, Gigus kraljico zapeljuje z obročem, nato z njeno pomočjo ubije kralja in postane naslednji kralj Lidije.
Morala, ki jo je Platon sklepal iz te zgodbe, je, da se nihče ne more upreti skušnjavi, da bi nekoga drugega ubil in nekaznovano ubil. Ljudje smo šibki, morala pa je družbeni pojav, ki ga je treba vsaditi in podpirati od zunaj. V javnosti lahko človek spoštuje moralne standarde, da bi bil videti dostojen in pošten ter ohranil svoj ugled, a ko mu enkrat daste priložnost, da postane neviden, se ne bo mogel upreti in zagotovo bo uporabil svojo novo moč. (Nekateri verjamejo, da je ta moralna prispodoba navdihnila JRR Tolkiena, da je ustvaril trilogijo Gospodar prstanov; prstan, zaradi katerega je njegov lastnik neviden, je tudi vir zla.)
Promocijski video:
V znanstveni fantastiki je nevidnost eden najpogostejših zagonov. V stripovski seriji iz tridesetih let 20. stoletja. "Flash Gordon" Flash postane neviden, da se skrije pred strelskim oddelkom zlobnega Minga neusmiljenega. V romanih in filmih o Harryju Potterju se glavni junak, ki si nadene čarobno ogrinjalo, lahko neopazno sprehaja po gradu Hogwarts.
H. G. Wells je v klasičnem romanu Nevidni človek v konkretni obliki utelesil približno enake ideje. Študent medicine v tem romanu po naključju odkrije možnosti četrte dimenzije in postane neviden. Na žalost izkorišča pridobljene fantastične priložnosti za osebno korist, stori celo vrsto sitnih zločinov in na koncu umre v obupnem poskusu pobega pred policijo.
Maxwellove enačbe in skrivnost svetlobe
Fiziki so povsem nedavno razumeli zakone optike kot rezultat dela Škota Jamesa Clerka Maxwella, enega izmed velikanov fizike v 19. stoletju. V nekem smislu je bil Maxwell popolno nasprotje Faradayja. Če je imel Faraday odličen smisel za eksperimentatorja, vendar ni imel nobene formalne izobrazbe, je bil njegov sodobni Maxwell mojster višje matematike. Šolanje za matematično fiziko je zaključil z odliko v Cambridgeu, kjer je Isaac Newton delal dve stoletji pred njim.
Newton je izumil diferencialno računanje - v jeziku diferencialnih enačb opisuje, kako predmeti nenehno doživljajo neskončno majhne spremembe v času in prostoru. Gibanje oceanskih valov, tekočin, plinov in topov je mogoče opisati z diferencialnimi enačbami. Maxwell je začel delati z jasnim ciljem: izraziti Faradayeva revolucionarna odkritja in njegova fizična polja s pomočjo natančnih diferencialnih enačb.
Maxwell je začel s trditvijo Faradaya, da se električna polja lahko spremenijo v magnetna in obratno. Fotografiral je fizična polja, ki jih je narisal Faraday, in jih zapisal v natančen jezik diferencialnih enačb. Rezultat tega je bil eden najpomembnejših sistemov enačb sodobne znanosti. To je sistem osmih diferencialnih enačb precej grozljive vrste. Vsak fizik in inženir na svetu se je moral naenkrat znojiti nad njimi, saj je na inštitutu obvladal elektromagnetizem.
Nadalje se je Maxwell postavil usodnemu vprašanju: če se magnetno polje lahko spremeni v električno polje in obratno, kaj se zgodi, če se v neskončnem nizu preobrazb nenehno spreminjajo iz enega v drugega? Maxwell je odkril, da bi takšno elektromagnetno polje ustvarilo ocean, podoben morju. Izračunal je hitrost gibanja takih valov in na lastno začudenje ugotovil, da je enaka hitrosti svetlobe! Leta 1864 je, ko je to dejstvo odkril, preroško napisal: "Ta hitrost je tako blizu hitrosti svetlobe, da se nam zdi, da imamo vse razloge za sklep, da je sama svetloba … elektromagnetna motnja."
To odkritje je postalo morda eno največjih v zgodovini človeštva - skrivnost svetlobe je bila končno razkrita! Maxwell je nenadoma spoznal, da je vse - sijaj poletnega sončnega vzhoda in besne žarke zahajajočega sonca ter bleščeče barve mavrice in zvezde na nočnem nebu - mogoče opisati z valovi, ki jih je ležerno upodobil na kos papirja. Danes razumemo, da celoten elektromagnetni spekter: radarski signali, mikrovalovno sevanje in televizijski valovi, infrardeča, vidna in ultravijolična svetloba, rentgenski žarki in gama žarki niso nič drugega kot maxwellovska voda; ti pa predstavljajo vibracije Faradayevih fizičnih polj.
Ko je govoril o pomenu Maxwellovih enačb, je Einstein zapisal, da je to "najbolj globoka in plodna stvar, ki jo je fizika doživela od Newtonovega časa."
(Tragično je, da je Maxwell, eden največjih fizikov 19. stoletja, umrl dovolj mlad, v starosti 48 let, za rakom želodca - verjetno isto boleznijo, ki je ubila njegovo mater v tej starosti. Če bi živel dlje, bi mu morda uspelo odkril bi, da so njegove enačbe dopuščale izkrivljanje vesolja in časa, kar je vodilo neposredno k Einsteinovi teoriji relativnosti. Ideja, da bi Maxwell živel dlje in bi teorija relativnosti lahko nastala med ameriško državljansko vojno, pretresljiva do srži.)
Maxwellova teorija svetlobe in atomska teorija strukture snovi dajeta optiko in nevidnost preprosto razlago. V trdni snovi so atomi tesno pakirani, medtem ko je v tekočini ali plinu razdalja med molekulami veliko večja. Večina trdnih snovi je neprozorna, saj svetlobni žarki ne morejo preiti skozi gosto matriko atomov, ki deluje kot opečna stena. Po drugi strani je veliko tekočin in plinov prozornih, ker lažje prehaja svetloba med redkimi atomi, razdalja med katerimi je večja od valovne dolžine vidne svetlobe. Na primer, voda, alkohol, amoniak, aceton, vodikov peroksid, bencin in druge tekočine so prozorni, prav tako prozorni in plini, kot so kisik, vodik, dušik, ogljikov dioksid, metan itd.
Pri tem pravilu obstaja več pomembnih izjem. Številni kristali so trdni in prozorni. Toda atomi v kristalu se nahajajo na mestih pravilne prostorske rešetke in med njimi tvorijo pravilne vrstice z enakimi intervali. Posledično je v kristalni rešetki vedno veliko poti, po katerih lahko skozinjo prehaja žarek svetlobe. Čeprav so atomi v kristalu zbrani nič manj gosto kot v kateri koli drugi trdni snovi, svetloba še vedno lahko prodre vanj.
V določenih okoliščinah lahko celo trden predmet z naključno razporejenimi atomi postane prozoren. Pri nekaterih materialih je ta učinek mogoče doseči s segrevanjem predmeta na visoko temperaturo in nato s hitrim hlajenjem. Na primer, steklo je trdna snov, ki ima zaradi naključne razporeditve atomov številne lastnosti tekočine. Nekatere bombone lahko na ta način naredite tudi prozorne.
Očitno lastnost nevidnosti nastane na atomski ravni, po Maxwellovih enačbah, zato jo je izjemno težko, če ne celo nemogoče, reproducirati z običajnimi metodami. Da bo Harry Potter neviden, ga bo treba likvidirati, kuhati in spremeniti v paro, kristalizirati, segreti in ohladiti - strinjati se morate, kakršno koli od teh dejanj bi bilo celo čarovniku zelo težko.
Vojska, ki ni mogla zgraditi nevidnih letal, je poskušala narediti enostavnejšo stvar: ustvarili so tehnologijo stele, zaradi katere so letala nevidna za radarje. Tehnologija Stele, ki temelji na Maxwellovih enačbah, izvaja vrsto trikov. Borca stele jet je enostavno videti s prostim očesom, toda na sovražnikovem radarskem zaslonu je njegova slika približno velikosti velike ptice. (Pravzaprav je tehnologija stele kombinacija več popolnoma različnih trikov. Kadar koli je mogoče, gradbene materiale borca nadomeščajo z radarsko prozornimi materiali: namesto jekla se uporabljajo različne plastike in smole; menjalniki kotov se spreminjajo; zasnova šobe motorja itd. vsi ti triki lahko naredijo sovražni radar snop, ki zadene letalo,razpršite se v vseh smereh in se ne vrnite v sprejemno napravo. Toda tudi s to tehnologijo borec ne postane popolnoma neviden; samo odkloni in razsipa radarski žarek, kolikor je tehnično mogoče.)
Metamateriali in nevidnost
Morda najbolj obetaven nedavni napredek nevidnosti je eksotičen nov material, znan kot "metamaterial"; možno je, da bo nekoč predmete dejansko naredil nevidne. Smešno je, toda nekoč se je obstoj metamaterialov tudi zdel nemogoč, saj kršijo zakone optike. Toda leta 2006 so raziskovalci z univerze Duke v Durhamu, Severni Karolini in Imperial College London uspešno zavračali to konvencionalno modrost in z uporabo metamaterialov predmet naredili nevidnega za mikrovalovno sevanje. Na tej poti je še vedno dovolj ovir, vendar ima človeštvo prvič v zgodovini tehniko, ki omogoča, da navadni predmeti postanejo nevidni. (To raziskavo je financirala DARPA, Agencija za napredne obrambne raziskovalne projekte.)
Nathan Myhrvold, nekdanji glavni tehnolog pri Microsoftu, trdi, da bo revolucionarna moč metamaterialov "popolnoma spremenila način, kako pristopamo k optiki in skoraj do vseh vidikov elektronike … Nekateri metamateriali so sposobni podvigov, ki bi se desetletja zdeli čudeži."
Kaj so metamateriali? To so snovi z optičnimi lastnostmi, ki v naravi ne obstajajo. Ko nastajajo metamateriali, se v snov vgradijo drobni vsadki, ki silijo elektromagnetne valove na nestandardne poti. Na univerzi Duke so znanstveniki vstavili veliko drobnih električnih vezij v bakrene trakove, položene v ploščate koncentrične kroge (vse skupaj kot kuhalna plošča). Rezultat je zapletena konstrukcija iz keramike, teflona, kompozitnih vlaken in kovinskih komponent. Drobni vsadki, ki so prisotni v bakru, omogočajo odvračanje mikrovalovnega sevanja in usmerjanje po vnaprej določeni poti. Predstavljajte si reko, ki teče okoli balvana. Voda se zelo hitro obrne okoli kamnazato njegova prisotnost navzdol po nikomer ne vpliva in je nemogoče razkriti. Prav tako so metamateriali sposobni nenehno spreminjati pot mikrovalov, tako da tečejo okoli, recimo, določenega cilindra in tako naredijo vse v tem cilindru nevidno za radijske valove. Če lahko metamaterial odpravi tudi vse odboje in sence, bo predmet postal popolnoma neviden za to obliko sevanja.
Znanstveniki so to načelo uspešno dokazali z napravo, sestavljeno iz desetih obročev iz steklenih vlaken, prekritih z bakrenimi elementi. Bakren obroč znotraj naprave je bil skoraj neviden za mikrovalovno sevanje; meče le rahlo senco.
Nenavadne lastnosti metamaterialov temeljijo na njihovi sposobnosti nadzora parametra, znanega kot "indeks loma". Prelomnost - lastnost svetlobe, da spreminja smer širjenja pri prehodu skozi prozorni material. Če roko položite v vodo ali samo pogledate skozi leče očal, boste opazili, da voda in kozarec odbijata in izkrivljata pot navadnih svetlobnih žarkov.
Razlog za odboj svetlobnega žarka v steklu ali vodi je v tem, da se svetloba upočasni, ko vstopi v gost prozoren material. Hitrost svetlobe v idealnem vakuumu je konstantna, v steklu ali vodi pa se svetloba "stisne" skozi grozd trilijonov atomov in se zato upočasni. (Razmerje med hitrostjo svetlobe v vakuumu in hitrostjo svetlobe v mediju se imenuje lomni indeks. Ker se svetloba v katerem koli mediju upočasni, je indeks loma vedno večji od enega.) Na primer, indeks loma pri vakuumu je 1,00; za zrak -1,0003; za steklo-1,5; za diamant-2.4. Praviloma je gostejši medij, bolj ga odbija svetlobni žarek in s tem višji lomni indeks.
Mirages lahko služijo kot zelo jasen prikaz pojavov, povezanih z lomljenjem. Če se boste v vročem dnevu po avtocesti vozili naravnost na obzorje, potem se vam bo cesta cesto zdelala in bo ustvarila iluzijo peneče se vodne površine. V puščavi lahko včasih na obzorju vidite obrise daljnih mest in gora. To se zgodi, ker ima zrak, ogrevan nad obcestnim dnom ali puščavskim peskom, nižjo gostoto in s tem nižji indeks loma kot okoliški navadni, hladnejši zrak; zato se lahko svetloba oddaljenih predmetov lomi v segreti plasti zraka in nato vstopi v oko; to vam daje iluzijo, da resnično vidite oddaljene predmete.
Praviloma je lomni indeks stalna vrednost. Ozka svetloba, ki prodira v steklo, spremeni smer in se nato še naprej premika po ravni črti. Toda za trenutek predpostavimo, da lahko nadzorujemo lomni indeks, tako da se lahko na vsaki točki kozarca na določen način nenehno spreminja, svetloba, ki se premika po takem novem materialu, pa bi lahko poljubno spremenila smer; pot žarka v tem okolju bi menila kot kača.
Če bi bilo mogoče v metamaterialu nadzirati indeks loma, tako da se svetloba upogne okoli določenega predmeta, potem bo ta objekt postal neviden. Da bi dosegli tak učinek, mora biti lomni indeks v metamaterialu negativen, vendar vsak učbenik o optiki pravi, da je to nemogoče, (Metamateriali so bili prvič teoretično napovedani v delu sovjetskega fizika Viktorja Veselagoja leta 1967. Veselago je pokazal, da morajo imeti ti materiali tako nenavadne optične lastnosti, kot so negativni lomni indeks in obratni Doplerov učinek. Metamateriali se zdijo tako čudni in celo nesmiselni, da se sprva njihova praktična izvedba se je štela za preprosto nemogočo. Vendar pa so v zadnjih nekaj letih v laboratoriju še vedno pridobili metamateriale, kar je fizike prisililo, da so začeli prepisovati učbenike o optiki.)
Raziskovalci, ki se ukvarjajo z meta materiali, novinarje nenehno motijo z vprašanjem: kdaj se bodo končno na trgu pojavili plašči nevidnosti? Odgovor je mogoče oblikovati zelo preprosto: ne kmalu.
David Smith z univerze Duke pravi: "Novinarji kličejo in prosijo vsaj rok. V koliko mesecih ali recimo letih se bo zgodilo. Stisnejo, stisnejo in pritisnejo, na koncu pa ne zdržiš in rečeš, da morda čez petnajst let. In prav tam - naslov časopisa, kajne? Petnajst let pred plaščem Harryja Potterja. " Zato zdaj noče imenovati nobenih datumov.
Navijači Harryja Potterja ali Star Treka bodo verjetno morali počakati. Čeprav pravi plašč nevidnosti ni več v nasprotju z znanimi naravnimi zakoni - kot se danes strinja večina fizikov - je še vedno veliko težkih tehničnih ovir, ki jih je treba premagati, preden lahko to tehnologijo razširimo na delo z vidno svetlobo in ne samo z mikrovalovno pečico sevanje.
V splošnem primeru morajo biti dimenzije notranjih struktur, vgrajenih v metamaterial, manjše od valovne dolžine sevanja. Na primer, mikrovalovne pečice imajo lahko valovno dolžino 3 cm, tako da če želimo, da metamaterial upogne pot mikrovalov, moramo vanj vstaviti vsadke, manjše od 3 cm. Toda, da bi predmet postal neviden za zeleno svetlobo (z valovno dolžino 500 nm), metamaterial bi moral imeti vgrajene strukture dolge le približno 50 nm. Toda nanometri so že atomska lestvica in za delo s takšnimi velikostmi je potrebna nanotehnologija. (Nanometra je ena milijarda metra. En nanometer lahko vsebuje približno pet atomov.) Morda je to ključna težava, s katero se bomo morali soočiti pri ustvarjanju pravega nevidnega plašča. Kot kača se po volji upogne pot svetlobnega žarka,morali bi spremeniti posamezne atome v metamaterialu.
Metamateriali za vidno svetlobo
Tako se je začela dirka.
Takoj po objavi prejema prvih metamaterialov v laboratoriju se je na tem območju začela vročinska aktivnost. Vsakih nekaj mesecev slišimo o revolucionarnih spoznanjih in osupljivih prebojih. Cilj je jasen: ustvariti metamateriale z uporabo nanotehnologije, ki lahko upogne ne samo mikrovalove, ampak tudi vidno svetlobo. Predlaganih je že več pristopov in vsi se zdijo precej obetavni.
Eden izmed predlogov je uporaba gotovih metod, to je izposoja uporabljenih tehnologij mikroelektronske industrije za proizvodnjo metamaterialov. Na primer, miniaturizacija računalnikov temelji na tehnologiji "fotolitografije"; je tudi motor računalniške revolucije. Ta tehnologija omogoča inženirjem, da na silikonsko rezino velikosti sličice postavijo sto milijonov drobnih tranzistorjev.
Moč računalnikov se podvoji na vsakih 18 mesecev (ta vzorec se imenuje Mooreov zakon). To je posledica dejstva, da znanstveniki s pomočjo ultravijoličnega sevanja "izsekajo" vse več drobnih komponent na silikonskih čipih. Ta tehnologija je zelo podobna postopku, s katerim se na barvito majico nariše vzorec. (Računalniški inženirji začnejo s tanko podlago, na katero so na vrhu nameščene najfinejše plasti različnih materialov. Nato je podlaga prekrita s plastično masko, ki deluje kot predloga. Na masko predhodno nanesemo zapleten vzorec prevodnikov, tranzistorjev in računalniških komponent, ki so osnova vezja. Obdelovanec je obsevan s trdo UV svetlobo, torej izpostavljeni ultravijoličnemu sevanju z zelo kratko valovno dolžino;to sevanje prenaša vzorec matrice na podlago, ki je občutljiva na svetlobo. Nato obdelovanca obdelamo s posebnimi plini in kislinami, zapleten vzorec matrice pa se vtisne na podlago na tistih mestih, kjer je bil izpostavljen ultravijoličnemu sevanju. Rezultat tega postopka je plošča s sto milijoni drobnih vdolbinic, ki tvorijo vezja tranzistorjev.) Trenutno je najmanjših sestavnih delov, ki jih je mogoče ustvariti s pomočjo opisanega postopka, približno 30 nm (ali približno 150 atomov). Rezultat tega postopka je plošča s sto milijoni drobnih vdolbinic, ki tvorijo vezja tranzistorjev.) Trenutno je najmanjših sestavnih delov, ki jih je mogoče ustvariti s pomočjo opisanega postopka, približno 30 nm (ali približno 150 atomov). Rezultat tega postopka je plošča s sto milijoni drobnih vdolbinic, ki tvorijo vezja tranzistorjev.) Trenutno je najmanjših sestavnih delov, ki jih je mogoče ustvariti s pomočjo opisanega postopka, približno 30 nm (ali približno 150 atomov).
Pomemben mejnik na poti do nevidnosti je bil nedavni poskus skupine znanstvenikov iz Nemčije in ameriškega ministrstva za energijo, v katerem je bil postopek jedkanja silicijeve podlage uporabljen za izdelavo prvega metamateriala, ki bi lahko deloval v vidnem območju svetlobe. V začetku leta 2007 so znanstveniki sporočili, da metamaterial, ki so ga ustvarili, vpliva na rdečo svetlobo. "Nemogoče" je bilo izvedeno v presenetljivo kratkem času.
Fizik Costas Sukulis iz laboratorija Ames in državne zvezne države Iowa, skupaj s Stephanom Lindenom, Martinom Wegenerjem in Gunnarjem Dollingom z univerze v Karlsruheju v Nemčiji, je uspel ustvariti metamaterial z indeksom loma -0,6 za rdečo svetlobo z valovno dolžino 780 nm. (Pred tem je bil svetovni rekord valovne dolžine sevanja, ki je bil "ovit" z metamaterialom, 1400 nm; to ni več vidno, ampak infrardeča svetloba.)
Za začetek so znanstveniki vzeli list stekla in nanj nanesli tanko plast srebra, nato plast magnezijevega fluorida, nato spet plast srebra; tako smo dobili "sendvič" s fluoridom z debelino le 100 nm. Znanstveniki so nato uporabili standardno tehnologijo jedkanja, da so v tem sendviču naredili veliko drobnih kvadratnih lukenj (širokih samo 100 nm, veliko manj od valovne dolžine rdeče svetlobe); rezultat je mrežaste strukture, ki spominja na ribiško mrežo. Nato so skozi dobljeni material prešli žarek rdeče svetlobe in izmerili indeks loma, ki je znašal -0,6.
Avtorji predvidevajo, da bo tehnologija, ki so jo izumili, našla široko uporabo. Metamateriali "lahko nekega dne privedejo do neke vrste ravnih superlenov, ki delujejo v vidnem spektru," pravi dr. Sukulis. "Ta leča vam bo omogočila višjo ločljivost kot tradicionalna tehnologija in razlikovanje med podrobnostmi, ki so bistveno manjše od valovne dolžine svetlobe." Očitno bi bila ena prvih aplikacij "superlenov" fotografiranje mikroskopskih predmetov z izjemno jasnostjo; lahko govorimo o fotografiranju znotraj žive človeške celice ali o diagnosticiranju bolezni ploda v maternici. V idealnem primeru bo mogoče neposredno fotografirati sestavine molekule DNK, brez uporabe surovih rentgenskih kristalografskih tehnik.
Doslej so znanstveniki lahko pokazali negativni indeks loma le za rdečo svetlobo. Toda metodo je treba razviti in naslednji korak je ustvariti metamaterial, ki bi lahko v celoti obkrožil rdeči žarek okoli predmeta, zaradi česar je nevidna rdeča svetloba.
Nadaljnji razvoj lahko pričakujemo tudi na področju "fotonskih kristalov". Cilj tehnologije fotoničnih kristalov je ustvariti čip, ki namesto električne energije rabi svetlobo za obdelavo informacij. Ideja je uporabiti nanotehnologijo za jedkanje drobnih komponent na podlago, tako da se lomni indeks spremeni pri vsaki komponenti. Tranzistorji, pri katerih delujejo svetlobe, imajo številne prednosti pred elektronskimi. Na primer, v fotonskih kristalih je veliko manj toplotnih izgub. (Kompleksni silicijevi čipi ustvarjajo dovolj toplote, da lahko jajce ocvrtijo. Te čipe je treba nenehno hladiti, da se ne pokvarijo, kar je zelo drago.)
Ni presenetljivo, da bi morala biti tehnologija za proizvodnjo fotonskih kristalov idealna za meta-materiale, saj obe tehnologiji vključujeta manipulacijo indeksa loma svetlobe na nanos skali.
Nevidnost skozi plazmonike
Ne da bi prehitela tekmece, je druga skupina fizikov sredi leta 2007 napovedala ustvarjanje metamateriala, ki je sposoben vrtenja vidne svetlobe, ki temelji na popolnoma drugačni tehnologiji, imenovani plazmonika. Fiziki Henri Lesek, Jennifer Dionne in Harry Atwater s kalifornijskega tehnološkega inštituta so napovedali ustvarjanje metamateriala, ki ima negativen lomni indeks za bolj zapleteno modro-zeleno območje vidnega spektra.
Namen plazmonikov je, da na ta način "stisnejo" svetlobo, tako da se lahko na nanostni skali manipulirajo predmeti, zlasti na kovinskih površinah. Razlog za električno prevodnost kovin je v tem, da so elektroni v kovinskih atomih slabo vezani na jedro in se lahko prosto gibljejo po površini kovinske rešetke. Električna energija, ki teče skozi žice v vašem domu, je nemoten pretok teh ohlapnih elektronov čez kovinsko površino. Toda pod določenimi pogoji, ko žarek svetlobe zadene kovinsko površino, lahko elektroni v sozvočju s svetlobo vibrirajo. V tem primeru se na površini kovine pojavijo valoviti gibi elektronov (ti valovi se imenujejo plazmoni) v času z nihanji elektromagnetnega polja nad kovino. Še pomembneje je, da lahko te plazmone "stisnemo" tako, da imajo enako frekvenco kotkot prvotni svetlobni žarek (kar pomeni, da bodo nosili enake informacije), vendar veliko krajšo valovno dolžino. Načeloma lahko te stisnjene valove stisnemo v nanowires. Kot pri fotonskih kristalih je končni cilj plazmonikov ustvariti računalniške čipe, ki poganjajo svetlobo in ne električno energijo.
Skupina podjetja California Tech je zgradila svoj metamaterial z dvema plastma srebra in izolacijsko plastjo iz silicijevega dušika (le 50 nm). Ta plast deluje kot "valovod", ki lahko usmerja plazmonske valove v želeno smer. Laserski žarek vstopi v napravo skozi rezino reza v metamaterialu; prehaja skozi valovod in nato izstopa skozi drugo režo. Če analizirate kote, pri katerih se pri prehodu skozi metamaterial upogne laserski žarek, lahko ugotovite, da ima material negativen indeks loma svetlobe z dano valovno dolžino.
Prihodnost metamaterialov
Napredek pri preučevanju metamaterialov se bo v prihodnosti pospešil iz preprostega razloga, ker je že veliko zanimanja za ustvarjanje tranzistorjev, ki delujejo na svetlobni žarek namesto elektrike. Zato je mogoče domnevati, da bodo raziskave na področju nevidnosti lahko "zapeljale", tj. Izkoristile rezultate že opravljenih raziskav in ustvarile zamenjavo za silikonski čip s pomočjo fotonskih kristalov in plazmonikov. Že danes na stotine milijonov dolarjev vlagajo v razvoj tehnologije, namenjene nadomestitvi silicijevih čipov, koristile pa bodo tudi raziskave na področju metamaterialov.
Trenutno na tem področju vsakih nekaj mesecev naredijo nova velika odkritja, zato ni presenetljivo, da nekateri fiziki pričakujejo, da se bodo prvi vzorci pravega nevidnega ščita v laboratoriju pojavili v nekaj desetletjih. Torej, znanstveniki so prepričani, da bodo lahko v naslednjih nekaj letih ustvarili metamateriale, s katerimi bo lahko objekt, vsaj v dveh dimenzijah, popolnoma neviden za vidno svetlobo katere koli posebne frekvence. Za dosego tega učinka bo treba v metamaterial vnesti drobne nanoimplantate, ne v navadnih vrstah, temveč v zapletenem vzorcu, tako da se svetloba gladko upogne okoli skritega predmeta.
Nato bodo znanstveniki morali izumiti in ustvariti metamateriale, ki lahko upogibajo svetlobo v treh dimenzijah, ne le na ravnih dvodimenzionalnih površinah. Fotolitografija je preizkušena tehnologija za izdelavo ploščatih silicijevih vezij; ustvarjanje tridimenzionalnih metamaterialov bo zahtevalo vsaj zapleteno razporeditev več ploščatih diagramov.
Po tem bodo morali znanstveniki rešiti problem ustvarjanja metamaterialov, ki svetlobo upogibajo ne z eno frekvenco, temveč iz več - ali recimo pasu frekvenc. To je zagotovo najtežja naloga, saj vsi doslej razviti drobni vsadki le odbijajo svetlobo ene natančne frekvence. Znanstveniki se bodo morda morali spoprijeti z večplastnimi metamateriali, kjer bo vsak sloj deloval z določeno frekvenco. Ni še jasno, kakšna bo rešitev tega problema.
Toda ščit nevidnosti, tudi potem, ko so ga končno ustvarili v laboratoriju, morda sploh ne bo tisto, kar si želimo, najverjetneje bo težka in neprijetna naprava. Plašč Harryja Potterja je bil šivan iz tanke mehke tkanine in je vsakogar, ki se je ovil vanj, naredil nevidnega. Da pa je tak učinek mogoč, se mora lomni indeks znotraj tkiva nenehno kompleksno spreminjati v skladu z vibracijami tkiva in gibi osebe. To je nepraktično. Najverjetneje bo plašč nevidnosti, vsaj na začetku, trden cilinder metamateriala. V tem primeru je lahko lomni indeks znotraj jeklenke konstanten. (V naprednejših modelih se lahko sčasoma pojavijo prožni metamateriali, ki se lahko upognejo in hkrati zadržijo svetlobo v sebi na pravi poti.kdo bo znotraj "plašča", bo dobil nekaj svobode gibanja.)
Ščit za nevidnost ima eno pomanjkljivost, ki je bila že večkrat poudarjena: tisti, ki je v notranjosti, ne more pogledati, ne da bi bil viden. Predstavljajte si Harryja Potterja z vidnimi samo očmi; medtem ko se zdi, da lebdijo po zraku na ustrezni višini. Vse zunanje luknje v plašču nevidnosti bi bile dobro vidne od zunaj. Če boste Harryja Potterja naredili popolnoma nevidnega, bo moral slepo in v popolni temi sedeti pod ogrinjalom. (Ena od možnih rešitev tega problema bi bila dva majhna kozarca pred očmi. Ta očala bi delovala kot "cepilci snopa"; odtrgali bi se in usmerili majhen del svetlobe, ki jim pade v oči. Vendar je večina svetlobe, ki pada na ogrinjalo, bi zaobšli osebo, da bi bila oseba nevidna v notranjosti, vendar nekateri, zelo majhni,del bi se ločil in vstopil v oči.)
Nedvomno so ovire za nevidnost zelo resne, vendar so znanstveniki in inženirji optimistični in verjamejo, da se lahko v naslednjih desetletjih ustvari takšen ali drugačen ščit nevidnosti.
Nevidnost in nanotehnologija
Kot sem že omenil, je lahko ključ do nevidnosti razvoj nanotehnologije, tj. sposobnost manipuliranja struktur atomske velikosti (približno eno milijardo metra).
Trenutek rojstva nanotehnologije imenujemo slovito predavanje z ironičnim naslovom "Na dnu je polno prostora", ki ga je pred ameriškim fizikalnim društvom leta 1959 predstavil nobelov nagrajenec Richard Feynman. V tem predavanju je govoril o tem, kako lahko izgledajo najmanjši stroji nas po zakonih fizike. Feynman je spoznal, da bo velikost strojev manjša in manjša, dokler se ne približajo velikosti atoma, nato pa bodo atome lahko uporabili za ustvarjanje novih strojev. Ugotovil je, da najpreprostejši atomski stroji, kot so blok, ročica ali kolo, ne nasprotujejo zakonom fizike, vendar jih bo izredno težko izdelati.
Nanotehnologija je dolga leta zamujala v pozabi - preprosto zato, ker takratna tehnologija ni omogočala manipuliranja posameznih atomov. Toda leta 1981 je prišlo do preboja - fizika Gerd Binnig in Heinrich Rohrer iz laboratorija IBM v Zürichu sta izumila skenirajoči tunelirni mikroskop, ki jima je pozneje dobil Nobelovo nagrado za fiziko.
Znanstveniki so bili nenadoma sposobni dobiti neverjetne "slike" posameznih atomov, združenih v strukture - popolnoma enake kot ponavadi upodobljene v knjigah o kemiji; naenkrat so kritiki atomske teorije menili, da je to nemogoče. Zdaj je bilo mogoče dobiti veličastne fotografije atomov, razporejenih v vrstice v pravilni strukturi kristala ali kovine. Kemične formule, s katerimi so znanstveniki poskušali odsevati zapleteno strukturo molekule, je zdaj mogoče videti s prostim očesom. Poleg tega je skenirajoči tunelirni mikroskop omogočal manipulacijo posameznih atomov. Odkritelji so iz posameznih atomov postavili črke IBM, ki so v znanstvenem svetu naredile pravo senzacijo. Znanstveniki v svetu posameznih atomov niso več slepi; znali so videti in delati z atomi.
Načelo delovanja skenirnega tunelirnega mikroskopa je varljivo preprosto. Tako kot gramofon skenira disk z iglo, tudi ta mikroskop počasi preide ostro sondo čez preučeno snov. (Vrh te sonde je tako oster, da se konča v enem samem atomu.) Sonda ima šibek električni naboj; električni tok teče od njegovega konca skozi proučevani material do prevodne površine pod njim. Ko sonda preide vsak posamezen atom, se tok nekoliko spremeni; spremembe toka se skrbno beležijo. Vzponi in padci toka, ko igla zelo natančno in natančno odraža njen obris, kažejo njegov obris. Ob obdelavi in predstavitvi v grafični obliki podatkov o trenutnih nihanjih za veliko število prehodov lahko dobite čudovito sliko posameznih atomov, ki tvorijo prostorsko rešetko.
(Optični mikroskop za skeniranje tunelov lahko obstaja zaradi čudnega zakona kvantne fizike. Običajno elektroni nimajo dovolj energije, da bi potovali od vrha sonde do podlage skozi plast snovi. To pomeni, da prodrejo skozi oviro, čeprav to nasprotuje Newtonovi teoriji. Zato je tok, ki gre skozi material, tako občutljiv na subtilne kvantne učinke v njem. Kasneje se bom podrobneje osredotočil na posledice kvantne teorije.)
Poleg tega je sonda mikroskopa dovolj občutljiva, da lahko premika posamezne atome in iz njih gradi preproste "stroje". Trenutno je ta tehnologija tako napredna, da lahko na računalniškem zaslonu vidite skupino atomov in s preprostim premikanjem kurzorja poljubne premike posameznih atomov. Z desetimi atomi je mogoče manipulirati tako enostavno kot z Lego opekami. Iz atomov ne morete samo črkati črk, ampak tudi ustvarjati igrače, kot je na primer abakus, kjer so členki sestavljeni iz enojnih atomov. Za to so atomi položeni na površino, opremljeno z navpičnimi utori. Sferične fulerene ("nogometne žoge", sestavljene iz posameznih ogljikovih atomov) so vstavljene v utore. Te ogljikove kroglice služijo kot kosti atomskega računa, ki se premikajo po svojih žlebovih navzgor in navzdol.
Atomske naprave lahko izrežete tudi z elektronskimi žarki. Na primer, znanstveniki z univerze Cornell so iz kristalnega silicija izklesali najmanjšo kitaro na svetu, katere velikost je 20-krat manjša od debeline človeškega lasu. Kitara ima šest strun, debelih sto atomov, ki jih je mogoče potegniti z mikroskopom z atomsko silo. (Kitara bo res igrala glasbo, vendar frekvence, ki jih proizvaja, daleč presegajo slišnost človeškega ušesa.)
Dandanes so skoraj vsi "nanomavini" samo igrače. Zapletenejši stroji z zobniki in ležaji še niso izdelani. Toda mnogi inženirji so prepričani, da je čas za prave atomske stroje. (V naravi obstajajo taki stroji. Enocelični organizmi lahko zaradi gibanja drobnih dlačic prosto plavajo v vodi. Toda če natančno razmislimo o povezavi las in celice, postane jasno, da je atomski stroj tisti, ki omogoča, da se lasje poljubno premikajo v vse smeri. Zato je eden od načinov razvoja nanotehnologije. je kopija narave, ki je pred dobrimi milijardami let obvladala proizvodnjo atomskih strojev.)
Hologrami in nevidnost
Drug način, kako nekoga narediti nekoliko nevidnega, je fotografiranje pogleda za njim in nato projiciranje te slike neposredno na oblačilo osebe ali na kakšen ekran pred njim. Če pogledate od spredaj, se vam bo zdelo, da je oseba postala prozorna in svetloba nekako prehaja skozi njegovo telo.
Ta postopek, znan kot "optično prikrivanje", je resno zasledoval zlasti Naoki Kawakami iz laboratorija Tachi na tokijski univerzi. Pravi: "To tehnologijo bi lahko uporabili za pomoč pilotom, da vidijo vzletno-pristajalno stezo skozi tla pilotske kabine ali da bi voznikom pomagali pogledati okoli, ko so parkirani." Kawakamijev ogrinjalo je prekrit v drobne odsevne kroglice, ki delujejo kot filmsko platno. Kar se dogaja od zadaj, je posneto z video kamero. Ta slika nato preide na video projektor, ki ga nato projicira na plašč spredaj. Zdi se, da svetloba prodre v osebo skozi in skozi.
V laboratoriju so že izdelani prototipi dežnih plaščev z optičnim sistemom za kamuflažo. Če pogledate človeka v takšnem plašču neposredno od spredaj, se zdi, da ta izgine, ker vidite samo sliko tega, kar se dogaja zadaj. Če pa se z vami in z očmi malo premaknete in slika na plašču ostane enaka, bo postalo jasno, da gre le za prevaro. V bolj realističnem optičnem prikrivanju bo potrebno ustvariti iluzijo tridimenzionalne slike. Za to bodo potrebni hologrami.
Hologram je 3D slika, ki jo ustvarijo laserji (pomislite na 3D podobo princese Leije v Vojnah zvezd). Osebo lahko naredite nevidno, če fotografirate ozadje za seboj s posebno holografsko kamero in jo nato ponovno ustvarite na posebnem holografskem zaslonu pred njim. Opazovalec bo pred seboj videl holografski zaslon s podobo vsega, kar je dejansko spredaj, razen osebe. Videti bo, kot da je oseba pravkar izginila. Na njenem mestu bo natančna 3D slika ozadja. Tudi po selitvi ne boste mogli razumeti, da je pred vami ponaredek.
Ustvarjanje takšnih tridimenzionalnih slik je možno zaradi "skladnosti" laserske svetlobe, tj. dejstvo, da se elektromagnetna nihanja v njem pojavljajo strogo v sozvočju. Za izdelavo holograma je koherenten laserski žarek razdeljen na dva dela. Ena polovica je usmerjena v fotografski film, druga - v isti fotografski film, vendar po odsevu od predmeta. Ko se dve polovici žarka vmešata, se na filmu pojavi moten vzorec, ki vsebuje vse podatke o prvotnem tridimenzionalnem snopu. Film po razvoju ni videti zelo obetaven - na njem je viden le splet nerazumljivih linij in kodrov. Če pa skozi ta film prenesete laserski žarek, se v zraku pojavi natančna tridimenzionalna kopija predmeta, kot da bi ga čarala.
Kljub temu holografska nevidnost za raziskovalce predstavlja zelo resne težave. Eden od njih je izdelava holografske kamere, ki lahko posname vsaj 30 slik na sekundo. Drugo je shranjevanje in obdelava vseh teh informacij. Končno boste morali sliko projicirati na zaslon, da bo videti realistična.
Nevidnost skozi četrto dimenzijo
Treba je omeniti še en, precej bolj zvit način nevidnosti, kot ga je v romanu Nevidni človek orisal H. G. Wells. Ta metoda vključuje uporabo zmogljivosti četrte dimenzije. (Kasneje v tej knjigi bom več govoril o možnem obstoju višjih dimenzij.) Ali lahko človek zapusti naše tridimenzionalno vesolje in lebdi nad njim v četrti dimenziji in opazuje, kaj se dogaja s strani? Tako kot tridimenzionalni metulj, ki plapola nad dvodimenzionalnim listom papirja, bi bila takšna oseba nevidna za vsakega prebivalca vesolja spodaj. Edini problem je, da obstoj višjih dimenzij še ni dokazan. Poleg tega bi hipotetično potovanje v eno od teh dimenzij zahtevalo veliko več energije, kot jo imamo trenutno v trenutnem stanju. Če govorimo o resničnih načinih, kako doseči nevidnost, potem ta metoda očitno precej presega naše trenutno znanje in zmožnosti.
Glede na ogromen napredek, ki smo ga že dosegli na poti do nevidnosti, mislim, da ga lahko varno označimo kot nemogoče v I. razredu. Takšna ali drugačna nevidnost lahko postane običajna v naslednjih desetletjih, vsaj do konca stoletja.