Нови метаматеријали: светлината под контрола

Многу извештаи за „метаматеријали“ (во наводници, бидејќи дефиницијата почнува да се замаглува) нè тераат да ги замислиме како речиси лек за сите проблеми, болки и ограничувања со кои се соочува современиот свет на технологијата. Најинтересните концепти во последно време се однесуваат на оптичките компјутери и виртуелната реалност.

во врска хипотетички компјутери на иднинатаКако пример, може да се наведат истражувањата на специјалисти од израелскиот универзитет TAU во Тел Авив. Тие дизајнираат повеќеслојни наноматеријали кои треба да се користат за создавање оптички компјутери. За возврат, истражувачите од швајцарскиот институт Пол Шерер изградија трифазна супстанција од милијарда минијатурни магнети способни за симулираат три агрегатни состојби, по аналогија со вода.

За што може да се користи? Израелците сакаат да градат. Швајцарците зборуваат за пренос и снимање на податоци, како и за спинтроника воопшто.

Трифазен минимагнетен метаматеријал кој ги имитира трите состојби на водата.

Фотони на барање

Истражувањето на научниците од Националната лабораторија Лоренс Беркли на Одделот за енергетика може да доведе до развој на оптички компјутери базирани на метаматеријали. Тие предлагаат да се создаде еден вид ласерска рамка која може да фати одредени пакувања атоми на одредено место, создавајќи строго дизајнирана, контролирана структура базирана на светлина. Наликува на природни кристали. Со една разлика - речиси е совршен, не се забележани дефекти кај природните материјали.

Научниците веруваат дека тие не само што ќе можат цврсто да ја контролираат положбата на групите атоми во нивниот „лесен кристал“, туку и активно да влијаат на однесувањето на поединечни атоми користејќи друг ласер (блиску до инфрацрвен опсег). Тие ќе ги натераат, на пример, на барање да испуштаат одредена енергија - дури и еден фотон, кој, кога ќе се отстрани од едно место во кристалот, може да дејствува на атом заробен во друго. Тоа ќе биде еден вид едноставна размена на информации.

Способноста брзо да се ослободи фотон на контролиран начин и да се пренесе со мала загуба од еден атом во друг е важен чекор за обработка на информации за квантното пресметување. Може да се замисли користење на цели низи контролирани фотони за да се извршат многу сложени пресметки - многу побрзо отколку да се користат современи компјутери. Атомите вградени во вештачки кристал исто така би можеле да скокаат од едно на друго место. Во овој случај, тие самите би станале носители на информации во квантен компјутер или би можеле да создадат квантен сензор.

Научниците открија дека атомите на рубидиум се идеални за нивните цели. Сепак, атомите на бариум, калциум или цезиум, исто така, можат да бидат заробени со вештачки ласерски кристал бидејќи имаат слични нивоа на енергија. За да го направи предложениот метаматеријал во вистински експеримент, истражувачкиот тим ќе мора да фати неколку атоми во вештачка кристална решетка и да ги задржи таму дури и кога се возбудени на повисоки енергетски состојби.

Виртуелна реалност без оптички дефекти

Метаматеријалите би можеле да најдат корисни апликации во друга област во развој на технологијата -. Виртуелната реалност има многу различни ограничувања. Значајна улога играат нам познатите несовршености на оптика. Практично е невозможно да се изгради совршен оптички систем, бидејќи секогаш има таканаречени аберации, т.е. бранови дисторзии предизвикани од различни фактори. Свесни сме за сферични и хроматски аберации, астигматизам, кома и многу, многу други негативни ефекти на оптиката. Секој кој користел комплети за виртуелна реалност мора да се справи со овие феномени. Невозможно е да се дизајнира VR оптика која е лесна, која произведува слики со висок квалитет, нема видливо виножито (хроматски аберации), дава големо видно поле и е евтина. Ова е едноставно нереално.

Затоа производителите на VR опрема Oculus и HTC ги користат оние што се нарекуваат леќи Fresnel. Ова ви овозможува да добиете значително помала тежина, да ги елиминирате хроматските аберации и да добиете релативно ниска цена (материјалот за производство на такви леќи е евтин). За жал, рефрактивните прстени предизвикуваат w Френел леќи значителен пад на контрастот и создавање на центрифугален сјај, што е особено забележливо онаму каде што сцената има висок контраст (црна позадина).

Меѓутоа, неодамна научниците од Универзитетот Харвард, предводени од Федерико Капасо, успеаја да се развијат тенка и рамна леќа користејќи метаматеријали. Наноструктурниот слој на стаклото е потенок од човечко влакно (0,002 mm). Не само што ги нема типичните недостатоци, туку обезбедува и многу подобар квалитет на сликата од скапите оптички системи.

Капасо леќата, за разлика од типичните конвексни леќи кои ја свиткуваат и расфрлаат светлината, ги менува својствата на светлосниот бран поради микроскопските структури што излегуваат од површината, депонирани на кварцното стакло. Секој таков раб различно ја прекршува светлината, менувајќи ја нејзината насока. Затоа, важно е правилно да се дистрибуира таква наноструктура (шема) која е компјутерски дизајнирана и произведена со методи слични на компјутерските процесори. Ова значи дека овој тип на леќи може да се произведува во истите фабрики како и досега, користејќи познати производни процеси. Титаниум диоксид се користи за распрскување.

Вреди да се спомене уште едно иновативно решение на „мета-оптика“. метаматеријални хиперлеќинаправено на Американскиот универзитет во Бафало. Првите верзии на хиперлеќи беа направени од сребро и диелектричен материјал, но тие работеа само во многу тесен опсег на бранови должини. Научниците од Бафало користеле концентричен распоред на златни прачки во термопластично куќиште. Работи во опсегот на бранова должина на видливата светлина. Истражувачите го илустрираат зголемувањето на резолуцијата што произлегува од новото решение користејќи медицински ендоскоп како пример. Обично препознава објекти до 10 нанометри, а по инсталирањето хиперлеќи „паѓа“ на 250 нанометри. Дизајнот го надминува проблемот со дифракцијата, феномен кој значително ја намалува резолуцијата на оптичките системи - наместо бранова изобличување, тие се претвораат во бранови кои можат да се снимаат во следните оптички уреди.

Според една публикација во Nature Communications, овој метод може да се користи во многу области, од медицина до набљудување на една молекула. Соодветно е да се чекаат конкретни уреди засновани на метаматеријали. Можеби тие ќе дозволат виртуелната реалност конечно да постигне вистински успех. Што се однесува до „оптичките компјутери“, тие сè уште се прилично далечни и нејасни изгледи. Сепак, ништо не може да се исклучи...