Учени от Калифорнийския университет за пръв път създадоха 3D материали, които могат да обръщат естествената посока на видимата и близката до инфрачервената светлина. Тази разработка би могла да помогне за създаването на оптическо изображение с висока резолюция, наноелектрически вериги за компютри с висока мощност и – за удоволствие на феновете на научната фантастика – средства за покритие, които могат да правят предметите невидими за човешкото око.
Невидимите дрехи от научната фантастика скоро може да станат реалност
За два пробива в разработването на метаматериали – сложни материали със свръхестествени способности за пречупване на електромагнитните вълни, съобщиха списанията Nature и Science.
Приложенията за метаматериали изискват промяна в нормалното поведение на светлината. В случая на невидимите мантии и щитове, материалът трябва да изкриви напълно светлинните вълни около дадения предмет по начина, по който реката тече около скала. За да могат оптичните микроскопи да различават индивиди, живи вируси или ДНК молекули, резолюцията на микроскопа трябва да бъде по-малка от дължината на вълната на светлината.
Общото при този вид материали е негативното пречупване. Всички материали, съществуващи в природата, притежават позитивен индекс на пречупване. По този начин се измерва колко електромагнитни вълни се пречупват, когато се преминава от една среда в друга.
Като класически пример за разликата между положително и отрицателно пречупване се използва прът, една част на който се потапя във вода. Под водата тази част сякаш се насочва към повърхността на водата. Ако водата обаче притежаваше негативно пречупване, то потопената част от пръта щеше да изглежда така, сякаш се подава над повърхността на водата. Ако пък дадем пример с риба, която плува под водата – при отрицателно пречупване на водата рибата щеше да изглежда така, сякаш плува във въздуха над водата.
Други учени преди време разработиха метаматериали, които функционират на оптични честоти. Tези 2D материали обаче бяха ограничени до един-единствен пласт от изкуствени атоми, чиито свойства на пречупване на светлината не можеха да бъдат определени. По-дебели 3D метаматериали с негативно пречупване са били успешни досега само на по-дългите микровълни.
Хората виждат света през тесни вълни от електромагнитна радиация, позната като видимата светлина, където дължините на вълните варират от 400 нанометра (виолетова и лилава светлина) до 700 нанометра (червена светлина). Инфрачервените светлинни вълни са по-дълги и са с размер между 750 нанометра и 1 милиметър.
За да може метаматериалът да придобие негативно пречупване, то неговият структурен състав трябва да бъде по-малък от дължината на използваната електромагнитна вълна. Не е изненада за никого, че манипулирането на по-дългите микровълни е успешно, тъй като размерът на този вид вълни варира от 1 милиметър до 30 сантиметра дължина.
Учените от Калифорния събрали в едно редуващи се пластове от сребро и непроводников магнезиев флуорид, а след това гравирали в пластовете мрежеста структура с нано размери, като по този начин успели да създадат голям оптичен метаматериал. С дължина на вълните от 1500 нанометра, което е близо до инфрачервения спектър, изследователите измерили негативен индекс на пречупване.
От екипа обясняват, че всеки чифт от проводими и непроводими пластове формира електрическа верига. Събирането на редуващите се пластове в едно създава серии от вериги, които заедно отговарят в противодействие на магнетичното поле от идващата светлина.
Освен това и двата метаматериала са постигнали негативно пречупване, като в същото време намаляват максимално количеството енергия, което се поглъща или изгубва при преминаването на светлината през тях. В случая на материала с мрежеста структура, силно взаимодействащите си нано вериги позволяват на светлината да премине през материала и да изразходва по-малко енергия, движейки си през металните пластове.
Метаматериалът, описан в Science, използва друг подход за отблъскване на светлината. Той се състои от сребърни наножици, намиращи се в порест алуминиев оксид. И макар тази структура да е 10 пъти по-тънка от лист хартия, то тя се определя като голям метаматериал, тъй като е над 10 пъти по-голяма от дължината на светлинните вълни.
Учените са наблюдавали негативно пречупване на червените светлинни вълни, които са най-малко 660 нанометра в дължина. Това е първата демонстрация на голяма среда, отблъскваща видима светлина назад.