Peleryna niewidka – marzenie każdego, kto czytał lub oglądał Harrego Pottera. Do niedawna niewidzialność była tylko możliwa w naszej wyobraźni, jednakże nauka pokazuje, że nasze marzenia mogą się już niedługo spełnić. Jak? Odpowiedź we wpisie!

Jak przejąć kontrolę nad świat(ł)em?

Jednym ze sposobów, aby stać się niewidzialnym jest… wyznaczyć światłu obwodnicę dookoła nas. Rzeczywiście, jeśli tak jak na Rys. 1 promienie świetlne będą prowadzone wokół czerwonej kuli, to nigdy jej nie zobaczymy [1]. Promienie są takie same przed przejściem przez obiekt jak i po przejściu przez niego. Na papierze wygląda to bardzo prosto, więc w czym problem?

Problem jest w tym, że bardzo ciężko jest wytworzyć materiał o takich właściwościach, które pozwolą prowadzić światło w sposób pokazany na Rys. 1. . Po pierwsze, sam materiał nie powinien być widoczny, zatem musi być bezbarwny. To nie wszystko, szkło może być bezbarwne a jednak jak wieczorem mamy zapalone światło patrzymy przez okno, to widzimy że światło żarówek odbija się od okna. Peleryna niewidka musi być zatem zrobiona z materiału od którego światło się nie odbija. Najważniejszym wymaganiem jest jednak to, aby jakoś to światło było zaginane wokół obiektu który chcemy schować.

Gdy światło przeżywa załamanie.

Potrzebujemy przytoczyć jedną z zasad optyki, zwaną zasadą Fermata: Promień świetlny porusza się po drodze którą pokona najszybciej. Nie mijaliśmy się zatem z prawdą, gdy mówiliśmy o obwodnicy dla promieni świetlnych. Musimy sprawić, aby droga wokół obiektu zajmowała mniej czasu niż droga na wprost przez obiekt.

W fizyce istnieje taka wielkość jak współczynnik załamania światła. Mówi on nam o tym, jak ciężka jest droga dla poruszania się światła. W powietrzu współczynnik załamania światła wynosi 1 i oznacza, że światło porusza się ze zwykłą prędkością światła w próżni (300 tys. km/s). Im większy współczynnik załamania, tym wolniej światło się porusza. I tak jak współczynnik załamania równy 1 możemy porównać do prostej drogi bez przeszkód dla światła, to współczynnik załamania równy 1,6 (dla szkła) oznacza dla światła przeprawę przez mokradła z prędkością 1,6 razy mniejszą. Nas natomiast obchodziłoby zbudowanie dla światła istnej autostrady o współczynniku załamania mniejszym niż 1 i prędkości światła większej niż… prędkość światła w próżni.

Zwykły materiał o współczynniku załamania światła mniejszym niż 1 jednak nie wystarczy. Otóż aby zapobiec odbijaniu się światła od peleryny musimy z tym światłem obchodzić się jak z jajkiem. Dla nas oznacza to tyle, że potrzebujemy bardzo precyzyjnie kontrolować współczynnik załamania światła w każdym miejscu peleryny niewidki. Jest to możliwe odkąd wynaleziono metamateriały.

Metamateriały

Czym jest światło? Światło jest to fala elektromagnetyczna. Oznacza to, że ma w sobie część elektryczną i część magnetyczną. Czemu zatem nie pobawić się w elektryka i przekonać się, czy za pomocą odpowiednio dobranego obwodu elektrycznego nie można wpłynąć na te części elektryczną i magnetyczną światła?

• 

• 

Oczywiście że można i tak działają właśnie metamateriały. Przykłady jednych z pierwszych przedstawiono na Rys. 2 [2] [3]. Jest to nic innego, jak właśnie seria obwodów elektrycznych ułożonych jeden koło drugiego. Dla takich materiałów jest możliwe uzyskanie współczynnika załamania mniejszego od 1, a nawet… o ujemnej wartości!

Czy to znaczy, że jeśli współczynnik załamania jest ujemny, to światło ma ujemną prędkość, czyli porusza się do tyłu? Cóż, nie do końca. Całe szczęście łatwiej jest to sobie wyobrazić, niż zrozumieć. Otóż światło wykonuje coś w stylu moonwalka. Tak naprawdę cały czas porusza się w przód, choć wydaje się jakby poruszało się do tyłu.

Wracając do tematu niewidzialności, na Rys. 3 przedstawiono prototyp peleryny niewidki z 2006 roku [4]. Niestety nie spełnia ona podstawowego założenia peleryny niewidki – jest widzialna. Otóż pokazana tu peleryna niewidka sprawia, że obiekt wewnątrz jest niewidzialny dla mikrofal. W rzeczywistości poniżej przedstawiona peleryna nie jest idealna i częściowo nawet mikrofale „widzą” tą pelerynę jak i zawartość. Jest to jednak pierwszy krok w stronę niewidzialności.

Czym się różnią mikrofale od światła, które widzimy? Jedno i drugie to fala elektromagnetyczna, jednak mikrofale są dużo dłuższymi falami niż światło widzialne. Wniosek jest taki, że skoro obwody elektryczne długości milimetrów wpływają na mikrofale, to na dużo krótsze fale z zakresu światła widzialnego będą wpływać dużo mniejsze obwody elektryczne – o rozmiarach w skali nano.

Tutaj wkracza nanotechnologia, dzięki której można wytwarzać obwody o wymiarach nanometrycznych. W efekcie już jesteśmy w stanie wytwarzać metamateriały wpływające na światło widzialne. Wkrótce być może rzeczywiście dzięki takiej autostradzie dla światła będziemy mogli chować się i swoje rzeczy przed światem.

A może inaczej?

Nie jest to jedyna propozycja świata nauki na niewidzialność. Nauka proponuje przynajmniej 3 inne pomysły na pelerynę niewidkę i te pomysły będą przedstawiane w kolejnych wpisach na blogu. Kolejny wpis planujemy dodać już za 2 tygodnie! Jeśli podobał Wam się wpis lub też macie jakieś pytania to prosimy o zostawienie komentarza! Gorąco zachęcamy do dyskusji! A jeśli chcielibyście zobaczyć jak wygląda nasze życie codzienne to wpadnijcie również na Instagrama (zakrecone_loczki_dwa).

Bibliografia

[1] Pendry, J. B., Schurig, D. & Smith, R. Controlling electromagnetic fields. Science, 312, 1780–1782 (2006)
[2] Shelby RA, Smith, DR, and Schultz, S, Experimental Verification of a Negative Index of Refraction. Science, 2001, 292, 77- 79.
[3] Smith D.R. et al. (2001) Left-Handed Metamaterials. In: Soukoulis C.M. (eds) Photonic Crystals and Light Localization in the 21st Century. NATO Science Series (Series C: Mathematical and Physical Sciences), vol 563. Springer, Dordrecht
[4] D. Schurig, et al., Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies, Science 314, 977 (2006)