„Invisibility Caps“ sind immer noch unsichtbar

Der jüngste in einer Reihe von "Tarnmänteln" ist der an der Universität von Rochester (1) geborene, der das entsprechende optische System verwendet. Skeptiker nennen es jedoch eine Art illusionistischen Trick oder Spezialeffekt, bei dem ein ausgeklügeltes Linsensystem Licht bricht und die Sicht des Betrachters täuscht.

Dahinter steckt ziemlich fortgeschrittene Mathematik – Wissenschaftler müssen damit herausfinden, wie sie die beiden Linsen so einrichten, dass das Licht so gebrochen wird, dass sie das Objekt direkt dahinter verbergen können. Diese Lösung funktioniert nicht nur bei direktem Blick auf die Linsen - ein Winkel von 15 Grad oder mehr reicht aus.

1. „Invisibility Cap“ von der University of Rochester.

Es kann in Autos verwendet werden, um tote Winkel in Spiegeln oder in Operationssälen zu beseitigen, sodass Chirurgen durch ihre Hände sehen können. Dies ist eine weitere in einer langen Reihe von Enthüllungen darüber unsichtbare Technikdie in den letzten Jahren zu uns gekommen sind.

2012 hörten wir bereits von der „Cap of Invisibility“ der amerikanischen Duke University. Nur die Neugierigsten lasen damals, dass es um die Unsichtbarkeit eines kleinen Zylinders in einem winzigen Fragment des Mikrowellenspektrums ging. Ein Jahr zuvor berichteten Beamte von Duke über Sonar-Stealth-Technologie, die in manchen Kreisen vielversprechend erscheinen mag.

Leider war es so Unsichtbarkeit nur unter einem bestimmten Gesichtspunkt und in einem engen Rahmen, was die Technologie wenig nützlich machte. Im Jahr 2013 schlugen die unermüdlichen Ingenieure von Duke ein 3D-gedrucktes Gerät vor, das ein darin platziertes Objekt mit Mikrolöchern in der Struktur tarnt (2). Dies geschah jedoch wiederum in einem begrenzten Wellenbereich und nur unter einem bestimmten Blickwinkel.

Die im Internet veröffentlichten Fotos sahen vielversprechend aus, das kapkanadische Unternehmen Hyperstealth, das 2012 unter dem faszinierenden Namen Quantum Stealth (3) beworben wurde. Leider wurden nie funktionierende Prototypen demonstriert, noch wurde erklärt, wie es funktioniert. Als Grund nennt das Unternehmen Sicherheitsbedenken und gibt kryptisch an, geheime Versionen des Produkts für das Militär vorzubereiten.

Frontmonitor, Rückfahrkamera

Erste ModerneUnsichtbarkeitskappe» Vor zehn Jahren vom japanischen Ingenieur Prof. Susumu Tachi von der Universität Tokio. Er benutzte eine Kamera, die hinter einem Mann in einem Mantel positioniert war, der auch ein Monitor war. Darauf wurde das Bild der Rückfahrkamera projiziert. Der verhüllte Mann war „unsichtbar“. Einen ähnlichen Trick nutzt das im vorigen Jahrzehnt von BAE Systems (4) eingeführte Fahrzeugtarngerät Adaptiv.

Es zeigt ein Infrarotbild „von hinten“ auf der Panzerung des Panzers an. Eine solche Maschine ist in Visiergeräten einfach nicht zu sehen. Die Idee, Objekte zu maskieren, nahm 2006 Gestalt an. John Pendry vom Imperial College London, David Schurig und David Smith von der Duke University veröffentlichten die Theorie der „Transformationsoptik“ in der Zeitschrift Science und stellten vor, wie sie im Fall von Mikrowellen (längere Wellenlängen als sichtbares Licht) funktioniert.

2. Eine dreidimensional gedruckte „Unsichtbarkeitskappe“.

Mit Hilfe geeigneter Metamaterialien kann eine elektromagnetische Welle so gebogen werden, dass sie das umgebende Objekt umgeht und auf ihren aktuellen Weg zurückkehrt. Der Parameter, der die allgemeine optische Reaktion des Mediums charakterisiert, ist der Brechungsindex, der bestimmt, wie viel langsamer als im Vakuum sich Licht in diesem Medium bewegt. Wir berechnen ihn als Wurzel aus dem Produkt aus relativer elektrischer und magnetischer Permeabilität.

relative elektrische Permeabilität; bestimmt, wie oft die elektrische Wechselwirkungskraft in einer bestimmten Substanz kleiner ist als die Wechselwirkungskraft im Vakuum. Daher ist es ein Maß dafür, wie stark die elektrischen Ladungen innerhalb einer Substanz auf ein äußeres elektrisches Feld reagieren. Die meisten Stoffe haben eine positive Permittivität, was bedeutet, dass das durch den Stoff veränderte Feld immer noch die gleiche Bedeutung hat wie das äußere Feld.

Die relative magnetische Permeabilität m bestimmt, wie sich das Magnetfeld in einem mit einem bestimmten Material gefüllten Raum im Vergleich zu dem Magnetfeld ändert, das in einem Vakuum mit derselben externen Magnetfeldquelle vorhanden wäre. Bei allen natürlich vorkommenden Stoffen ist die relative magnetische Permeabilität positiv. Bei transparenten Medien wie Glas oder Wasser sind alle drei Größen positiv.

Dann wird Licht, das aus Vakuum oder Luft (Luftparameter unterscheiden sich nur geringfügig von Vakuum) in das Medium eindringt, nach dem Brechungsgesetz gebrochen und das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zum Sinus des Brechungswinkels ist gleich dem Brechungsindex für dieses Medium. Der Wert ist kleiner als Null; und m bedeutet, dass sich die Elektronen innerhalb des Mediums in die entgegengesetzte Richtung zu der Kraft bewegen, die durch das elektrische oder magnetische Feld erzeugt wird.

Genau das passiert in Metallen, in denen das freie Elektronengas eigene Schwingungen erfährt. Wenn die Frequenz einer elektromagnetischen Welle die Frequenz dieser Eigenschwingungen von Elektronen nicht übersteigt, dann schirmen diese Schwingungen das elektrische Feld der Welle so gut ab, dass sie es nicht tief in das Metall eindringen lassen und sogar ein entgegengesetzt gerichtetes Feld erzeugen zum Außenfeld.

Folglich ist die Permittivität eines solchen Materials negativ. Da die elektromagnetische Strahlung nicht tief in das Metall eindringen kann, wird sie von der Metalloberfläche reflektiert und das Metall selbst erhält einen charakteristischen Glanz. Was wäre, wenn beide Arten der Permittivität negativ wären? Diese Frage stellte 1967 der russische Physiker Viktor Veselago. Es stellt sich heraus, dass der Brechungsindex eines solchen Mediums negativ ist und Licht ganz anders gebrochen wird, als sich aus dem üblichen Brechungsgesetz ergibt.

5. Negative Brechung auf der Oberfläche eines Metamaterials – Visualisierung

Dann wird die Energie der elektromagnetischen Welle nach vorne übertragen, aber die Maxima der elektromagnetischen Welle bewegen sich in die entgegengesetzte Richtung zur Form des Impulses und der übertragenen Energie. Solche Materialien kommen in der Natur nicht vor (es gibt keine Substanzen mit negativer magnetischer Permeabilität). Erst in der oben erwähnten Veröffentlichung von 2006 und in vielen anderen in den Folgejahren entstandenen Publikationen war es möglich, künstliche Strukturen mit negativem Brechungsindex zu beschreiben und damit zu bauen (5).

Sie werden Metamaterialien genannt. Die griechische Vorsilbe „meta“ bedeutet „nachher“, das heißt, es handelt sich um Strukturen aus natürlichen Materialien. Metamaterialien erhalten die Eigenschaften, die sie benötigen, indem sie winzige elektrische Schaltkreise aufbauen, die die magnetischen oder elektrischen Eigenschaften des Materials nachahmen. Viele Metalle haben eine negative elektrische Permeabilität, daher reicht es aus, Raum für Elemente zu lassen, die eine negative magnetische Reaktion hervorrufen.

Anstelle eines homogenen Metalls werden viele dünne Metalldrähte, die in Form eines Würfelgitters angeordnet sind, auf einer Platte aus Isoliermaterial befestigt. Durch Ändern des Durchmessers der Drähte und des Abstands zwischen ihnen können die Frequenzwerte eingestellt werden, bei denen die Struktur eine negative elektrische Permeabilität aufweist. Um im einfachsten Fall eine negative magnetische Permeabilität zu erhalten, besteht die Konstruktion aus zwei gebrochenen Ringen aus einem guten Leiter (z. B. Gold, Silber oder Kupfer), die durch eine Schicht aus einem anderen Material getrennt sind.

Ein solches System wird Split-Ring-Resonator genannt – aus dem Englischen abgekürzt SRR. Split-Ring-Resonator (6). Durch die Lücken in den Ringen und den Abstand zwischen ihnen hat er wie ein Kondensator eine gewisse Kapazität und da die Ringe aus leitfähigem Material bestehen, hat er auch eine gewisse Induktivität, d.h. Fähigkeit, Ströme zu erzeugen.

Änderungen des externen Magnetfelds durch die elektromagnetische Welle bewirken, dass ein Strom in den Ringen fließt, und dieser Strom erzeugt ein Magnetfeld. Es zeigt sich, dass bei entsprechender Auslegung das vom System erzeugte Magnetfeld dem äußeren Feld entgegen gerichtet ist. Dies führt zu einer negativen magnetischen Permeabilität eines Materials, das solche Elemente enthält. Durch Einstellen der Parameter des Metamaterialsystems kann man eine negative magnetische Reaktion in einem ziemlich weiten Bereich von Wellenfrequenzen erhalten.

meta - Gebäude

Der Traum der Designer ist es, ein System zu bauen, bei dem die Wellen das Objekt idealerweise umfließen würden (7). Im Jahr 2008 schufen Wissenschaftler der University of California, Berkeley, zum ersten Mal in der Geschichte dreidimensionale Materialien, die einen negativen Brechungsindex für sichtbares und nahes Infrarotlicht haben und das Licht in eine Richtung entgegengesetzt zu seiner natürlichen Richtung biegen. Sie schufen ein neues Metamaterial, indem sie Silber mit Magnesiumfluorid kombinierten.

Dann wird es in eine Matrix geschnitten, die aus Miniaturnadeln besteht. Das Phänomen der negativen Brechung wurde bei Wellenlängen von 1500 nm (nahes Infrarot) beobachtet. Anfang 2010 von Tolga Ergin vom Karlsruher Institut für Technologie und Kollegen am Imperial College London erstellt unsichtbar Lichtvorhang. Die Forscher verwendeten auf dem Markt erhältliche Materialien.

Sie verwendeten photonische Kristalle, die auf eine Oberfläche gelegt wurden, um einen mikroskopisch kleinen Vorsprung auf einer Goldplatte zu bedecken. Das Metamaterial wurde also aus speziellen Linsen erstellt. Die dem Höcker auf der Platte gegenüberliegenden Linsen sind so angeordnet, dass sie durch Ablenkung eines Teils der Lichtwellen die Lichtstreuung an der Wölbung eliminieren. Durch die Beobachtung der Platte unter einem Mikroskop mit Licht mit einer Wellenlänge nahe der des sichtbaren Lichts sahen die Wissenschaftler eine flache Platte.

Später gelang es Forschern der Duke University und des Imperial College London, eine negative Reflexion der Mikrowellenstrahlung zu erhalten. Um diesen Effekt zu erzielen, müssen einzelne Elemente der Metamaterialstruktur kleiner als die Wellenlänge des Lichts sein. Es ist also eine technische Herausforderung, die die Herstellung sehr kleiner Metamaterialstrukturen erfordert, die der Wellenlänge des Lichts entsprechen, das sie brechen sollen.

Sichtbares Licht (violett bis rot) hat eine Wellenlänge von 380 bis 780 Nanometer (ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter). Nanotechnologen der schottischen Universität St. Andrews kamen zu Hilfe. Sie haben eine einzige Schicht aus extrem dichtmaschigem Metamaterial. Die Seiten des New Journal of Physics beschreiben einen Metaflex, der Wellenlängen von etwa 620 Nanometern (orange-rotes Licht) beugen kann.

2012 entwickelte eine Gruppe amerikanischer Forscher an der University of Texas at Austin einen ganz anderen Trick mit Mikrowellen. Ein Zylinder mit einem Durchmesser von 18 cm wurde mit einem Plasmamaterial mit negativer Impedanz beschichtet, das eine Manipulation der Eigenschaften ermöglicht. Hat es genau die gegensätzlichen optischen Eigenschaften des Wimmelbildes, entsteht eine Art „Negativ“.

Dadurch überlagern sich die beiden Wellen und das Objekt wird unsichtbar. Infolgedessen kann das Material mehrere unterschiedliche Frequenzbereiche der Welle biegen, so dass sie um das Objekt herumfließen und auf der anderen Seite davon zusammenlaufen, was für einen äußeren Beobachter möglicherweise nicht wahrnehmbar ist. Theoretische Konzepte vermehren sich.

Vor etwa einem Dutzend Monaten veröffentlichte Advanced Optical Materials einen Artikel über eine möglicherweise bahnbrechende Studie von Wissenschaftlern der University of Central Florida. Wer weiß, ob sie es nicht geschafft haben, die bestehenden Beschränkungen für "unsichtbare Hüte» Aus Metamaterialien gebaut. Nach den von ihnen veröffentlichten Informationen ist das Verschwinden des Objekts im Bereich des sichtbaren Lichts möglich.

7. Theoretische Möglichkeiten, Licht auf ein unsichtbares Objekt zu beugen

Debashis Chanda und sein Team beschreiben die Verwendung eines Metamaterials mit einer dreidimensionalen Struktur. Es war möglich, es dank der sogenannten zu bekommen. Nanotransferdruck (NTP), der metalldielektrische Bänder herstellt. Der Brechungsindex kann durch nanotechnologische Methoden verändert werden. Der Lichtausbreitungsweg muss in der dreidimensionalen Oberflächenstruktur des Materials mit Hilfe des elektromagnetischen Resonanzverfahrens kontrolliert werden.

Wissenschaftler sind in ihren Schlussfolgerungen sehr vorsichtig, aber aus der Beschreibung ihrer Technologie geht ziemlich klar hervor, dass Beschichtungen aus einem solchen Material in der Lage sind, elektromagnetische Wellen in hohem Maße abzulenken. Darüber hinaus ermöglicht die Art und Weise, wie das neue Material gewonnen wird, die Produktion großer Flächen, was einige dazu veranlasst hat, von Kämpfern zu träumen, die mit einer solchen Tarnung bedeckt sind, die sie bieten würde Unsichtbarkeit komplett, vom Radar bis zum Tageslicht.

Verbergungsgeräte, die Metamaterialien oder optische Techniken verwenden, bewirken nicht das tatsächliche Verschwinden von Objekten, sondern nur ihre Unsichtbarkeit für Erkennungswerkzeuge und bald vielleicht für das Auge. Es gibt jedoch bereits radikalere Ideen. Jeng Yi Lee und Ray-Kuang Lee von der Taiwan National Tsing Hua University schlugen ein theoretisches Konzept eines Quanten-„Mantels der Unsichtbarkeit“ vor, der in der Lage ist, Objekte nicht nur aus dem Sichtfeld, sondern auch aus der Realität als Ganzes zu entfernen.

Dies funktioniert ähnlich wie oben diskutiert, aber die Schrödinger-Gleichung wird anstelle der Maxwell-Gleichungen verwendet. Es geht darum, das Wahrscheinlichkeitsfeld des Objekts so zu strecken, dass es gleich Null ist. Theoretisch ist dies im Mikromaßstab möglich. Die technologischen Möglichkeiten zur Herstellung einer solchen Abdeckung werden jedoch noch lange auf sich warten lassen. Wie alle "Unsichtbarkeitskappe„Was man sagen kann, dass sie wirklich etwas vor unserer Sicht verborgen hat.