Нови метаматеријали: светлост под контролом

Многи извештаји о „метаматеријалима“ (под наводницима, јер дефиниција почиње да се замагљује) терају нас да размишљамо о њима као о готово панацеји за све проблеме, болове и ограничења са којима се суочава савремени свет технологије. Најзанимљивији концепти у последње време тичу се оптичких рачунара и виртуелне стварности.

у вези хипотетички компјутери будућностикао пример може се навести истраживање специјалиста са израелског ТАУ универзитета у Тел Авиву. Дизајнирају вишеслојне наноматеријале који би требало да се користе за прављење оптичких рачунара. Заузврат, истраживачи са швајцарског института Паул Сцхеррер изградили су трофазну супстанцу од милијарду минијатурних магнета способних за симулирају три агрегатна стања, по аналогији са водом.

За шта се може користити? Израелци желе да граде. Швајцарци говоре о преносу и снимању података, као и о спинтроници уопште.

Трофазни метаматеријал направљен од минимагнета који имитира три стања воде.

Фотони на захтев

Истраживање научника у Националној лабораторији Лоренс Беркли при Одељењу за енергетику може довести до развоја оптичких рачунара заснованих на метаматеријалима. Они предлажу да се створи нека врста ласерског оквира који може да ухвати одређене пакете атома на одређеном месту, стварајући стриктно дизајниран, контролисан структура заснована на светлости. Подсећа на природне кристале. Са једном разликом - готово је савршено, у природним материјалима се не примећују недостаци.

Научници верују да не само да ће моћи да чврсто контролишу положај група атома у свом „светлосном кристалу“, већ и да активно утичу на понашање појединачних атома помоћу другог ласера ​​(близу инфрацрвеног опсега). Натераће их, на пример, да емитују одређену енергију - чак и један фотон, који, када се уклони са једног места у кристалу, може да делује на атом заробљен у другом. Биће то нека врста једноставне размене информација.

Способност брзог ослобађања фотона на контролисан начин и преноса са малим губицима са једног атома на други је важан корак обраде информација за квантно рачунање. Може се замислити коришћење читавих низова контролисаних фотона за обављање веома сложених прорачуна – много брже него коришћење модерних рачунара. Атоми уграђени у вештачки кристал такође би могли да скачу са једног места на друго. У овом случају, они би сами постали носиоци информација у квантном рачунару или би могли да направе квантни сензор.

Научници су открили да су атоми рубидијума идеални за своје потребе. Међутим, атоми баријума, калцијума или цезијума такође могу бити ухваћени вештачким ласерским кристалом јер имају сличне нивое енергије. Да би предложени метаматеријал претворио у прави експеримент, истраживачки тим ће морати да ухвати неколико атома у вештачкој кристалној решетки и задржи их тамо чак и када су узбуђени до виших енергетских стања.

Виртуелна стварност без оптичких дефеката

Метаматериали би могли да нађу корисне примене у другој области технологије у развоју -. Виртуелна стварност има много различитих ограничења. Несавршености оптике које су нам познате играју значајну улогу. Практично је немогуће изградити савршен оптички систем, јер увек постоје такозване аберације, тј. изобличење таласа изазвано разним факторима. Свесни смо сферних и хроматских аберација, астигматизма, коме и многих, многих других штетних ефеката оптике. Свако ко је користио сетове виртуелне реалности мора да се бави овим феноменима. Немогуће је дизајнирати ВР оптику која је лагана, производи слике високог квалитета, нема видљиву дугу (хроматске аберације), даје велико видно поље и буде јефтина. Ово је једноставно нестварно.

Због тога произвођачи ВР опреме Оцулус и ХТЦ користе оно што се зове Фреснел сочива. Ово вам омогућава да добијете знатно мању тежину, елиминишете хроматске аберације и добијете релативно ниску цену (материјал за производњу таквих сочива је јефтин). Нажалост, рефрактивни прстенови узрокују в Фреснел сочива значајан пад контраста и стварање центрифугалног сјаја, што је посебно приметно тамо где сцена има висок контраст (црна позадина).

Међутим, недавно су научници са Универзитета Харвард, предвођени Федериком Капассом, успели да се развију танко и равно сочиво помоћу метаматеријала. Слој наноструктуре на стаклу је тањи од људске косе (0,002 мм). Не само да нема типичне недостатке, већ такође пружа много бољи квалитет слике од скупих оптичких система.

Капасо сочива, за разлику од типичних конвексних сочива која савијају и расипају светлост, мења својства светлосног таласа због микроскопских структура које вире са површине, таложене на кварцном стаклу. Свака таква избочина другачије прелама светлост, мењајући свој правац. Због тога је важно правилно дистрибуирати такву наноструктуру (узорак) која је компјутерски дизајнирана и произведена методама сличним рачунарским процесорима. То значи да се ова врста сочива може производити у истим фабрикама као и раније, користећи познате производне процесе. За прскање се користи титанијум диоксид.

Вреди поменути још једно иновативно решење "мета-оптике". метаматеријалне хиперлензеснимљено на Америчком универзитету у Бафалу. Прве верзије хиперсочива биле су направљене од сребра и диелектричног материјала, али су радиле само у веома уском опсегу таласних дужина. Научници из Бафала користили су концентрични распоред златних шипки у термопластичном кућишту. Ради у опсегу таласних дужина видљиве светлости. Истраживачи илуструју повећање резолуције које је резултат новог решења користећи медицински ендоскоп као пример. Обично препознаје објекте до 10 нанометара, а након инсталирања хиперсочива "пада" до КСНУМКС нанометара. Дизајн превазилази проблем дифракције, феномена који значајно смањује резолуцију оптичких система - уместо таласне дисторзије, они се претварају у таласе који се могу снимити у наредним оптичким уређајима.

Према публикацији у Натуре Цоммуницатионс, ова метода се може користити у многим областима, од медицине до посматрања појединачних молекула. Прикладно је сачекати бетонске уређаје на бази метаматеријала. Можда ће дозволити виртуелној стварности да коначно постигне прави успех. Што се тиче „оптичких рачунара“, то су још увек прилично далеке и нејасне перспективе. Међутим, ништа се не може искључити...