Маскировка метаматериала - Metamaterial cloaking

Статьи о
Электромагнетизм
Соленоид

Маскировка метаматериала это использование метаматериалы в плащ-невидимка. Это достигается за счет управления путями, проходимыми светом, через новый оптический материал. Метаматериалы направляют и контролируют распространение и передача указанных частей световой спектр и продемонстрировать возможность визуализации объекта, как будто невидимый. Маскировка метаматериала на основе трансформационная оптика, описывает процесс укрытия чего-либо от глаз путем управления электромагнитное излучение. Объекты в определенном месте все еще присутствуют, но падающие волны направляются вокруг них, не подвергаясь влиянию самого объекта.[1][2][3][4][5]

Электромагнитные метаматериалы

Основные статьи: Метаматериалы и Резонатор с разъемным кольцом

Электромагнитные метаматериалы реагировать на выбранные части излучаемого света, также известные как электромагнитный спектр, способом, который трудно или невозможно достичь с помощью натуральные материалы. Другими словами, эти метаматериалы можно далее определить как искусственно структурированный композитные материалы, которые проявляют взаимодействие со светом, обычно недоступным в природе (электромагнитные взаимодействия ). В то же время метаматериалы могут быть спроектированы и сконструированы с желаемыми свойствами, которые соответствуют конкретным потребностям. Эта потребность будет определяться конкретным приложением.[2][6][7]

Искусственная структура для маскировки приложений - это решетка конструкция - последовательно повторяющаяся сеть - идентичных элементов. Дополнительно для микроволновая печь частоты, эти материалы аналогичны кристаллы за оптика. Кроме того, метаматериал состоит из последовательности элементов и промежутков, которые намного меньше выбранных длина волны света. Выбранная длина волны может быть радиочастота, микроволновое или другое излучение, только начинающее проникать в видимые частоты. Макроскопический свойства можно напрямую контролировать, регулируя характеристики рудиментарного элементы, и их расположение в материале или по всему материалу. Более того, эти метаматериалы являются основой для создания очень маленьких маскирующих устройств в ожидании более крупных устройств, адаптированных к широкому спектру излучаемого света.[2][6][8]

Следовательно, хотя свет состоит из электрическое поле и магнитное поле, обычные оптические материалы, такие как оптический микроскоп линзы, имеют сильную реакцию только на электрическое поле. Соответствующее магнитное взаимодействие практически равно нулю. В результате получаются только самые распространенные оптические эффекты, например, обычные преломление с общим дифракционные ограничения в линзах и визуализация.[2][6][8]

Поскольку начало оптических наук много веков назад способность контролировать свет с материалами был ограничен этими общими оптическими эффектами. С другой стороны, метаматериалы способны к очень сильному взаимодействию или взаимодействию с магнитной составляющей света. Следовательно, диапазон отклика на излучаемый свет расширяется за пределы обычных оптических ограничений, которые описываются науками о физическая оптика и оптическая физика. Кроме того, в качестве искусственно созданных материалов как магнитные, так и электрические компоненты излучаемого света можно контролировать по желанию, любым желаемым образом во время его движения или, точнее, размножается через материал. Это связано с тем, что поведение метаматериала обычно формируется из отдельных компонентов, и каждый компонент независимо реагирует на излучаемый спектр света. Однако в настоящее время количество метаматериалов ограничено. Маскировка через широкий спектр частот не было достигнуто, в том числе видимый спектр. Рассеивание, поглощение, и разброс также являются текущими недостатками, но эта область все еще находится в зачаточном состоянии.[2][6][8]

Метаматериалы и трансформационная оптика

Слева: поперечное сечение цилиндра PEC, на которое распространяется плоская волна (показана только составляющая электрического поля волны). Поле рассыпано. Справа: круглый плащ, созданный с использованием методов трансформирующей оптики, используется для маскировки цилиндра. В этом случае поле за пределами мантии остается неизменным, и цилиндр не виден электромагнитно. Обратите внимание на особую картину искажения поля внутри плаща.
Основная статья: трансформационная оптика

Поле трансформационная оптика основан на эффектах, производимых метаматериалами.[1]

Оптика трансформации берет свое начало в выводах двух исследований. Они были опубликованы 25 мая 2006 г. в том же номере журнала Наука, рецензируемый журнал. Эти две статьи представляют собой разумные теории изгиба или искажения свет к электромагнитно скрыть объект. Обе статьи, в частности, отображают начальную конфигурацию электромагнитные поля на Декартово сетка. Скручивание декартовой сетки, по сути, преобразует координаты электромагнитных полей, которые, в свою очередь, скрывают данный объект. Таким образом, с этими двумя статьями родилась трансформационная оптика.[2][9][10]

Оптика трансформации подписывается на способность изгиба свет, или же электромагнитные волны и энергия любым предпочтительным или желаемым способом для желаемого применения. Уравнения Максвелла не меняются, хотя координаты преобразовать. Вместо этого это значения выбранных параметров материалов, которые «трансформируются» или изменяются в течение определенного периода времени. Итак, трансформационная оптика возникла из возможности выбора параметров для данного материала. Следовательно, поскольку уравнения Максвелла сохраняют тот же вид, это последовательные значения параметров, диэлектрическая проницаемость и проницаемость, которые меняются со временем. Кроме того, диэлектрическая проницаемость и магнитная проницаемость в некотором смысле являются ответами на электрический и магнитные поля излучаемого источника света, соответственно, среди других описаний. Точную степень электрического и магнитного отклика можно контролировать в метаматериале точка за точкой. Поскольку можно поддерживать такой большой контроль над реакциями материала, это приводит к улучшенному и очень гибкому градиент-индекс материал. Условно предопределенный показатель преломления обычных материалов вместо этого становятся независимыми пространственными градиентами в метаматериале, которыми можно управлять по желанию. Таким образом, трансформационная оптика - это новый метод создания новых и уникальных оптические устройства.[1][2][7][9][11][12]

Наука о маскирующих устройствах

Цель маскировка устройство для Спрятать что-то, так что определенная область пространства незримо изолированы от проходящих электромагнитных полей (или звуковые волны ), как и Маскировка метаматериала.[5][13]

Скрывать объекты или делать их невидимыми с помощью метаматериалы, примерно аналогичен ловкости рук фокусника или его уловкам с зеркалами. Объект или субъект на самом деле не исчезают; исчезновение - это иллюзия. С той же целью, исследователи использовать метаматериалы для создания направленных слепых пятен, отклоняя определенные части световой спектр (электромагнитный спектр). Это световой спектр, так как среда передачи, который определяет то, что видит человеческий глаз.[14]

Другими словами, свет преломленный или отражение, определяющее вид, цвет или иллюзию, которая видна. Видимая часть света видна в хроматический спектр такой как радуга. Однако видимый свет - это только часть широкого спектра, который выходит за рамки зрения. Например, есть и другие части светового спектра, которые сегодня широко используются. В микроволновый спектр работает на радар, сотовые телефоны, и беспроводной интернет. В инфракрасный спектр используется для тепловидение технологии, которые могут обнаруживать теплое тело в более прохладной ночной среде, а инфракрасное освещение сочетается со специализированными цифровые фотоаппараты за ночное видение. Астрономы используют терагерцовый диапазон за субмиллиметровые наблюдения ответить глубоко космологический вопросов.

Кроме того, электромагнитная энергия - это энергия света, но только небольшая ее часть видимый свет. Эта энергия распространяется волнами. Более короткие длины волн, например видимый свет и инфракрасный, переносят больше энергии на фотон чем более длинные волны, такие как микроволны и радиоволны. Для науки, спектр света известен как электромагнитный спектр.[14][15][16][17]

Свойства оптики и света

Призмы, зеркала, и линзы имеют долгую историю изменения дифрагированного видимого света, который все окружает. Однако контроль, обеспечиваемый этими обычными материалами, ограничен. Более того, один материал, который является общим для этих трех типов светораспределителей, - это обычный стекло. Следовательно, эти знакомые технологии сдерживаются фундаментальными, физическими законы оптики. Что касается метаматериалов в целом, и технологии маскировки в частности, кажется, что эти барьеры разрушаются с достижениями в материалах и технологиях, никогда ранее не реализованных в мире. естественные физические науки. Эти уникальные материалы стали известными, потому что электромагнитное излучение можно по-новому изгибать, отражать или искажать. Излучаемый свет можно было даже замедлить или уловить перед передачей. Другими словами, разрабатываются новые способы фокусировки и проецирования света и другого излучения. Более того, расширенная оптическая сила, представленная в науке о маскировке объектов, оказывается технологически выгодной для широкого спектра уже используемых устройств. Это означает, что каждое устройство с основными функциями, основанными на взаимодействии с излучаемым электромагнитный спектр может технологически продвинуться. Благодаря этим начальным шагам был создан совершенно новый класс оптики.[15][18][19][20][21]

Интерес к свойствам оптики и света

Интерес к свойствам оптики и света возник почти с 2000 лет до Птолемей (85 - 165 г. н.э.). В своей работе под названием Оптика, он пишет о свойствах свет, включая отражение, преломление, и цвет. Он разработал упрощенное уравнение рефракции без тригонометрические функции. Примерно 800 лет спустя, в 984 году нашей эры, Ибн Сахл открыл закон преломления, математически эквивалентный Закон Снеллиуса. За ним последовал самый известный исламский ученый, Ибн Аль-Хайтам (ок. 965–1039), который считается «одним из немногих самых выдающихся деятелей оптики всех времен». [22] Он добился значительных успехов в науке о физика в общем и оптика особенно. Он предвосхитил универсальные законы света, сформулированные учеными семнадцатого века на сотни лет.[15][22][23][24]

В семнадцатом веке оба Виллеброрд Снеллиус и Декарт приписывают открытие закона преломления. Именно Снеллиус заметил, что уравнение Птолемея для преломления неточно. Следовательно, эти законы были приняты без изменений в течение примерно 400 лет, как и законы гравитации.[15][22][23][24]

Идеальный плащ и теория

Электромагнитное излучение и материя имеют симбиотические отношения. Радиация не просто воздействует на материал, и не просто воздействует на него данным материалом. Радиация взаимодействует с иметь значение. Маскирующие приложения, использующие метаматериалы изменить способ взаимодействия объектов с электромагнитный спектр. Направляющее зрение для плаща из метаматериала - это устройство, которое плавно направляет поток света вокруг объекта, как вода, текущая мимо камня в ручье, без отражение, делая объект невидимым. На самом деле современные простые маскирующие устройства несовершенны и имеют ограничения.[14][15][25][26][27][28]Одной из проблем до настоящего времени была неспособность метаматериалов и маскирующих устройств взаимодействовать друг с другом. частоты, или же длины волн в видимом спектре света.[3][28][29]

Проблемы, связанные с первым маскирующим устройством

Принцип маскировки с помощью маскирующего устройства был впервые доказан (продемонстрирован) на частотах в диапазон микроволнового излучения 19 октября 2006 г. В этой демонстрации использовалось небольшое маскировочное устройство. Его высота была меньше половины дюйма (<13 мм), а диаметр - пять дюймов (125 мм), и он успешно отклонял микроволны вокруг себя. Скрываемый из виду объект - небольшой цилиндр - помещался в центре устройства. Плащ-невидимка отклонен микроволновые лучи поэтому они обтекали цилиндр внутри с незначительным искажением, создавая впечатление почти как будто там вообще ничего не было.

Такое устройство обычно включает окружение маскируемого объекта оболочкой, которая влияет на прохождение свет рядом с ним. Уменьшено отражение электромагнитных волн (микроволн) от объекта. В отличие от однородного природного материала, свойства которого везде одинаковы, свойства материала плаща изменяются от точки к точке, каждая точка предназначена для определенных электромагнитных взаимодействий (неоднородность) и различается в разных направлениях (анизотропия). Это обеспечивает градиент в свойствах материала. Соответствующий отчет опубликован в журнале Наука.[3][18][29][30]

Несмотря на успешную демонстрацию, можно показать три заметных ограничения. Во-первых, поскольку его эффективность была только в микроволновый спектр маленький объект в некоторой степени невидим только на микроволновых частотах. Это означает, что невидимость не была достигнута. человеческий глаз, который видит только в видимый спектр. Это потому, что длины волн видимого спектра существенно короче микроволн. Однако это считалось первым шагом на пути к маскирующему устройству для видимого света, хотя и более продвинутому. связанные с нанотехнологиями методы будут необходимы из-за коротких длин волн света. Во-вторых, только маленькие объекты могут выглядеть как окружающий воздух. В случае демонстрации доказательства маскировки в 2006 г. скрытый из поля зрения объект медь цилиндр, должен быть меньше пяти дюймов в диаметре и менее полдюйма в высоту. В-третьих, маскировка может происходить только в узкой полосе частот для любой конкретной демонстрации. Это означает, что широкополосный плащ, который работает через электромагнитный спектр, из радиочастоты в микроволновую печь видимый спектр, и чтобы рентгеновский снимок, в настоящее время недоступен. Это связано с дисперсный характер современных метаматериалов. Преобразование координат (трансформационная оптика ) требует необычных параметров материала, которые можно получить только с помощью резонансный элементы, которые по своей сути узкая полоса, и диспергирующий при резонансе.[1][3][4][18][29]

Использование метаматериалов

В самом начале нового тысячелетия метаматериалы были созданы как необычайно новая среда, которая расширила возможности контроля над иметь значение. Следовательно, метаматериалы применяются для маскировки приложений по нескольким причинам. Во-первых, параметр, известный как отклик материала, имеет более широкий диапазон. Во-вторых, материальную реакцию можно контролировать по желанию.[15]

В-третьих, оптические компоненты, такие как линзы, в определенном диапазоне реагируют на свет. Как указывалось ранее - диапазон ответов был известен и изучен, начиная с Птолемей - восемнадцать веков назад. Невозможно было эффективно превысить диапазон отклика, потому что натуральные материалы оказались на это неспособны. В научных исследованиях и исследованиях одним из способов сообщить о диапазоне отклика является показатель преломления данного оптического материала. Каждый натуральный материал пока допускает только положительный показатель преломления. С другой стороны, метаматериалы - это инновация, которая позволяет достичь отрицательного показателя преломления, нулевого показателя преломления и дробных значений между нулем и единицей. Следовательно, метаматериалы, помимо других возможностей, расширяют отклик материала. Однако отрицательное преломление не является эффектом, который создает маскировку невидимости. Точнее сказать, что градации показателя преломления в сочетании создают маскировку невидимости. И, наконец, в-четвертых, метаматериалы демонстрируют способность произвольно доставлять выбранные ответы.[15]

Устройство

Перед собственно созданием устройства были проведены теоретические исследования. Следующее - одно из двух исследований, принятых одновременно в научном журнале, а также отмеченных как одна из первых опубликованных теоретических работ для плаща-невидимки.

Управление электромагнитными полями

Ортогональные координаты - Декартова плоскость при переходе от прямоугольных координат к криволинейным

Эксплуатация «света», электромагнитный спектр, достигается с помощью общих предметов и материалов, которые контролируют и направляют электромагнитные поля. Например, стакан линза в камере используется для получения изображения, металлическая клетка может использоваться для экрана чувствительного оборудования, и радиоантенны предназначены для передачи и приема ежедневных FM-трансляций. Однородный материалы, которые манипулируют или модулируют электромагнитное излучение, например, стеклянные линзы, ограничены в верхнем пределе уточнения для коррекции аберраций. Комбинации неоднородный материалы линз могут использовать градиент показатели преломления, но диапазоны обычно ограничены.[2]

Метаматериалы были введены около десяти лет назад, и они расширяют контроль над частями электромагнитный спектр; из микроволновая печь, к терагерц, к инфракрасный. Теоретически метаматериалы как среда передачи, в конечном итоге расширит контроль и направление электромагнитных полей в видимый спектр. Следовательно, в 2006 году была представлена ​​стратегия проектирования, чтобы показать, что метаматериал может быть сконструирован с произвольно назначенными положительными или отрицательными значениями диэлектрическая проницаемость и проницаемость, которые также можно независимо изменять по желанию. Тогда становится возможным прямое управление электромагнитными полями, что актуально для новой и необычной конструкции линз, а также в качестве компонента научная теория для укрытия объектов от электромагнитного обнаружения.[2]

Каждый компонент независимо реагирует на излучаемый электромагнитная волна поскольку он проходит через материал, что приводит к электромагнитной неоднородности для каждого компонента. Каждый компонент по-своему реагирует на внешнее электрические и магнитные поля из излучаемый источник. Поскольку эти компоненты меньше излучаемых длина волны понятно, что макроскопический вид включает эффективное значение как для диэлектрической проницаемости, так и для магнитной проницаемости. Эти материалы соответствуют требованиям законы физики, но ведут себя иначе, чем обычные материалы. Метаматериалы - это искусственные материалы, созданные для обеспечения свойств, которые «могут быть недоступны в природе». Эти материалы обычно приобретают свои свойства за счет структуры, а не состава, за счет включения небольших неоднородности принять эффективное макроскопическое поведение.

В структурные подразделения метаматериалов могут быть адаптированы по форме и размеру. Их состав, а также их форму или структуру можно точно настроить. Включения могут быть спроектированы, а затем размещены в желаемых местах для изменения функции данного материала. Поскольку решетка постоянна, ячейки меньше излучаемого света.[6][31][32][33]

В основе стратегии дизайна неоднородный составной метаматериалы которые направляют, по желанию, сохраненные количества из электромагнетизм. Эти количества, в частности, электрическое поле смещения D, то напряженность магнитного поля B, а Вектор Пойнтинга S. Теоретически, когда речь идет о сохраняемых величинах или полях, метаматериал проявляет двоякую способность. Во-первых, поля могут быть сконцентрированы в заданном направлении. Во-вторых, их можно заставить избегать или окружать объекты, возвращаясь без возмущение на их первоначальный путь. Эти результаты согласуются с Уравнения Максвелла и больше, чем просто лучевое приближение нашел в геометрическая оптика. Соответственно, в принципе, эти эффекты могут охватывать все формы явления электромагнитного излучения на всех масштабах длины.[2][9][34]

Предполагаемая стратегия проектирования начинается с намеренного выбора конфигурации произвольное число встроенных источников. Эти источники становятся локализованными ответами диэлектрическая проницаемость, ε и магнитная проницаемость, μ. Источники встроены в произвольно выбранный среда передачи с диэлектрик и магнитный характеристики. В качестве электромагнитной системы среду можно схематично представить в виде сетки.[2]

Первое требование может заключаться в перемещении униформы. электрическое поле через пространство, но в определенном направлении, которое позволяет избежать объекта или препятствия. Затем удалите и поместите систему в эластичный материал, который можно деформировать, скручивать, тянуть или растягивать по желанию. Начальное состояние полей записывается на декартовой сетке. Поскольку эластичная среда искажается в одной или комбинации описанных возможностей, такой же процесс растяжения и растяжения регистрируется декартовой сеткой. Теперь можно записать тот же набор искажений, происходящих как преобразование координат:

а (х, у, г), б (х, у, г), c (х, у, г), d (x, y, z) ....

Следовательно, диэлектрическая проницаемость ε и магнитная проницаемость µ пропорционально калибруются с помощью общего коэффициента. Это означает, что менее точно то же самое происходит с показателем преломления. Перенормированные значения диэлектрической проницаемости и магнитной проницаемости используются в новый система координат. Относительно уравнений перенормировки см. Ссылку. #.[2]

Приложение к маскирующим устройствам

С учетом вышеуказанных параметров работы теперь можно показать, что система - метаматериал - может скрывать объект произвольного размера. Его функция - управлять падающими лучами, которые вот-вот упадут на объект. Эти падающие лучи вместо этого электромагнитно направляются вокруг объекта метаматериалом, который затем возвращает их на исходную траекторию. В рамках конструкции можно предположить, что никакое излучение не выходит из скрытого объема пространства, и никакое излучение не может проникать в пространство. Как показано на функции метаматериала, любое излучение, пытающееся проникнуть, направляется вокруг пространства или объекта внутри пространства, возвращаясь в исходное направление. Любому наблюдателю кажется, что скрытый объем пространства пуст, даже если там присутствует объект. Произвольный объект может быть скрыт, потому что он остается нетронутым внешним излучением.[2]

Сфера радиуса R1 выбирается в качестве скрываемого объекта. Область маскировки должна находиться в кольцевом пространстве R1 <г 2. Простое преобразование, позволяющее достичь желаемого результата, можно найти, взяв все поля в области r 2 и сжав их в область R1 <г 2. Преобразования координат не меняют уравнения Максвелла. Со временем меняются только значения ε ′ и µ ′.

Скрытые препятствия

Есть проблемы, которые нужно решить, чтобы добиться маскировки невидимости. Одна проблема, связанная с трассировка лучей, это анизотропный воздействие материала на электромагнитные лучи, попадающие в «систему». Параллельные пучки лучей, (см. изображение выше), направляющиеся прямо к центру, резко изогнуты и вместе с соседними лучами сжимаются все сильнее и сильнее. дуги. Это связано с быстрыми изменениями в смещении и преобразовании диэлектрическая проницаемость ε ′ и проницаемость µ ′. Вторая проблема заключается в том, что, хотя было обнаружено, что выбранные метаматериалы способны работать в пределах параметров анизотропных эффектов и постоянного сдвига ε ′ и µ ′, значения ε ′ и µ ′ не могут быть очень большими или очень маленький. Третья проблема заключается в том, что выбранные метаматериалы в настоящее время не могут достичь широкого, частотный спектр возможности. Это потому, что лучи должны огибать «скрытую» сфера, и поэтому имеют более длинные траектории, чем пересекающие свободное место, или воздух. Однако лучи должны приходить на другую сторону сферы в фаза с самого начала излучал свет. Если это происходит, то фазовая скорость превышает скорость света в вакуум, который является пределом скорости Вселенной. (Обратите внимание, это не нарушает законы физики). И при обязательном отсутствии частотная дисперсия, то групповая скорость будет идентично фазовая скорость. В контексте этого эксперимента групповая скорость никогда не может превышать скорость света, поэтому аналитические параметры эффективны только для одного частота.[2]

Оптическое конформное отображение и трассировка лучей в среде трансформации

Таким образом, цель состоит в том, чтобы не создавать заметной разницы между скрытым объемом пространства и распространением электромагнитных волн через пустое пространство. Казалось бы, достижение полностью скрытого (100%) отверстия, в котором можно было бы разместить объект и скрыть его от глаз, маловероятно. Проблема в следующем: для передачи изображений свет распространяется в непрерывном диапазоне направлений. В рассеяние Данные электромагнитных волн после отражения от объекта или дыры уникальны по сравнению со светом, распространяющимся через пустое пространство, и поэтому легко воспринимаются. Свет, распространяющийся через пустое пространство, согласуется только с пустым пространством. Это включает в себя микроволновые частоты.[9]

Хотя математические рассуждения показывают, что идеальное маскирование маловероятно из-за волновой природы света, эта проблема не относится к электромагнитным лучам, т.е. геометрическая оптика. Несовершенства могут быть произвольными, и экспоненциально small для объектов, размер которых намного превышает длину волны света.[9]

Математически это означает п <1, потому что лучи следуют кратчайшим путем и, следовательно, теоретически создают идеальную маскировку. На практике, как отмечалось выше, достигается определенная приемлемая видимость. Диапазон показателя преломления диэлектрика (оптического материала) должен быть в широком диапазоне. спектр чтобы добиться маскировки с иллюзией, создаваемой распространением волн в пустом пространстве. Эти места, где п <1 будет кратчайшим путем для луча вокруг объекта без фазовых искажений. Искусственное распространение пустого пространства может быть достигнуто с помощью микроволнового излучения.терагерц классифицировать. В стелс-технология согласование импедансов может привести к поглощению излучаемых электромагнитных волн, а не к отражению, следовательно, уклонение от обнаружения радар. Эти общие принципы также могут применяться к звуковые волны, где индекс п описывает отношение локальной фазовой скорости волны к объемной величине. Следовательно, было бы полезно защитить пространство от любого обнаружения звуком. Это также подразумевает защиту от сонара. Кроме того, эти общие принципы применимы в различных областях, таких как электростатика, механика жидкости, классическая механика, и квантовый хаос.[9]

Математически можно показать, что волна распространение неотличимо от пустого пространства, где лучи света распространяются по прямым линиям. Носитель выполняет оптическое конформное отображение на пустое пространство.[9]

СВЧ частоты

Таким образом, следующим шагом будет фактическое скрытие объекта с помощью управления электромагнитными полями. Теперь продемонстрированная теоретическая способность к управляемым электромагнитным полям открыла новое поле, трансформационная оптика. Эта номенклатура получена из преобразований координат, используемых для создания переменных путей распространения света через материал. Эта демонстрация основана на предыдущих теоретических предписаниях, а также на выполнении призменного эксперимента. Одним из возможных применений трансформирующей оптики и материалов является электромагнитная маскировка с целью сделать объем или объект необнаруживаемыми для падающего излучения, включая зондирование с помощью излучения.[3][35][36]

В этой демонстрации впервые фактического сокрытия объекта электромагнитными полями используется метод специально разработанной пространственной вариации. Это эффект внедрения в метаматериал специально созданных источников электромагнитного излучения.[37]

Как обсуждалось ранее, поля, создаваемые метаматериалом, сжимаются в оболочку (преобразования координат), окружающую теперь скрытый объем. Ранее эта теория была подтверждена; этот эксперимент продемонстрировал, что эффект действительно имеет место. Уравнения Максвелла являются скалярными при применении трансформационных координат, затрагиваются только тензор диэлектрической проницаемости и тензор проницаемости, которые затем становятся пространственно изменчивыми и зависимыми от направления вдоль различных осей. Исследователи заявляют:

Благодаря реализации этих сложных свойств материала, скрытый объем плюс плащ при взгляде извне приобретают свойства свободного пространства. Таким образом, плащ не рассеивает волны и не создает тени, которые могли бы позволить обнаружить плащ. Другие подходы к невидимости основаны либо на уменьшении обратного рассеяния, либо на использовании резонанса, в котором свойства замаскированного объекта и объекта должны быть тщательно согласованы ... Достижения в развитии [метаматериалов с отрицательным индексом], особенно в отношении Линзы с градиентным показателем преломления сделали возможной физическую реализацию указанных сложных свойств материала. Мы реализовали двумерный (2D) плащ, потому что требования к его изготовлению и измерениям были проще, чем у 3D-плаща.[3]

Перед реальной демонстрацией экспериментальные пределы трансформационных полей были определены расчетным путем, в дополнение к моделированию, поскольку оба они использовались для определения эффективности маскировки.[3]

За месяц до этой демонстрации в сентябре 2006 года были опубликованы результаты эксперимента по пространственному картированию внутренних и внешних электромагнитных полей отрицательного преломляющего метаматериала.[37] Это было новшеством, потому что до этого микроволновые поля измерялись только внешне.[37] В этом сентябрьском эксперименте были измерены диэлектрическая проницаемость и магнитная проницаемость микроструктур (вместо внешней макроструктуры) образцов метаматериалов, а также рассеяние на двумерных метаматериалах с отрицательным показателем преломления.[37] Это дает средний эффективный показатель преломления, что позволяет предположить однородный метаматериал.[37]

Используя эту технику для этого эксперимента, было проведено пространственное картирование фаз и амплитуд микроволнового излучения, взаимодействующего с образцами метаматериала. Рабочие характеристики маскировки были подтверждены путем сравнения измеренных полевых карт с результатами моделирования.[3]

Для этой демонстрации скрытый объект представлял собой проводящий цилиндр на внутреннем радиусе плаща. Как самый крупный из возможных объектов, рассчитанный на такой объем пространства, он обладает наиболее существенными рассеивающими свойствами. Проводящий цилиндр был эффективно скрыт в двух измерениях.[3]

Инфракрасные частоты

Оптическая частота, определяемая в литературе по метаматериалам, находится в диапазоне от дальнего инфракрасного до ближнего инфракрасного, через видимый спектр и включает, по крайней мере, часть ультрафиолета. На сегодняшний день, когда в литературе упоминаются оптические частоты, это почти всегда частоты в инфракрасном диапазоне, который ниже видимого спектра. В 2009 году группа исследователей объявила о маскировке на оптических частотах. В этом случае частота маскировки была сосредоточена на 1500 нм или 1,5 микрометра - инфракрасном.[38][39]

Звуковые частоты

Основная статья: Акустические метаматериалы

Лабораторное устройство из метаматериалов, применимое к ультразвук волн был продемонстрирован в январе 2011 года. Его можно применить к длины звуковых волн соответствующие частотам от 40 до 80 кГц.

Акустическая накидка из метаматериала предназначена для скрытия предметов, погруженных в воду. Механизм маскировки из метаматериала намеренно искривляет и скручивает звуковые волны.

Механизм маскировки состоит из 16 концентрических колец в цилиндрической конфигурации. Каждое кольцо имеет акустические контуры. Он специально разработан для направления звуковых волн в двух измерениях.

У каждого кольца разные показатель преломления. Это заставляет звуковые волны изменять свою скорость от звонка к звонку. «Звуковые волны распространяются по внешнему кольцу, направляя каналы в цепях, которые изгибают волны, чтобы обернуть их вокруг внешних слоев плаща». Он образует массив полостей, которые замедляют скорость распространения звуковых волн. Экспериментальный цилиндр был погружен в воду и затем исчез из сонар. Другие объекты различной формы и плотности также были скрыты от гидролокатора. Акустическая маскировка продемонстрировала эффективность на частотах от 40 до 80 кГц.[40][41][42][43]

В 2014 году исследователи создали трехмерный акустический плащ из сложенных друг на друга пластиковых листов с повторяющимися узорами дырок. В пирамидальный Геометрия штабеля и расположение отверстий обеспечивают эффект.[44]

Невидимость в диффузных светорассеивающих средах

В 2014 году ученые продемонстрировали хорошую маскирующую способность в мутной воде, продемонстрировав, что объект, окутанный туманом, может полностью исчезнуть при надлежащем покрытии метаматериалом. Это происходит из-за случайного рассеяния света, например, что происходит в облаках, тумане, молоке, матовом стекле и т. Д., В сочетании со свойствами покрытия из метататериала. Когда свет рассеивается, тонкий слой метаматериала вокруг объекта может сделать его практически невидимым в различных условиях освещения.[45][46]

Попытки маскировки

Широкополосная маскировка наземной плоскости

Если трансформация квазиортогональные координаты применяется к Уравнения Максвелла чтобы скрыть возмущение на квартире проводящая плоскость вместо особой точки, как в первой демонстрации маскировки, основанной на трансформирующей оптике, объект может быть скрыт под воздействием возмущения.[47] Иногда его называют «ковровым» плащом.

Как отмечалось выше, в оригинальном плаще использовались резонансные элементы из метаматериала, чтобы соответствовать эффективным ограничениям материала. Использование квазиконформного преобразования в этом случае вместо неконформного исходного преобразования изменило требуемые свойства материала. В отличие от оригинального (единственного расширения) плаща, «ковровый» плащ требовал менее экстремальных материальных ценностей. Для создания квазиконформного коврового покрытия требовались анизотропные, неоднородные материалы, которые варьировались только по толщине. диэлектрическая проницаемость. Причем диэлектрическая проницаемость всегда была положительной. Это позволило использовать нерезонансные элементы из метаматериала для создания маскировки, значительно увеличив полосу пропускания.

Автоматизированный процесс, управляемый набором алгоритмы, был использован для создания метаматериала, состоящего из тысяч элементов, каждый со своим геометрия. Разработка алгоритма позволила производственный процесс для автоматизации, что привело к изготовлению метаматериала за девять дней. Предыдущее устройство, использованное в 2006 году, было элементарным по сравнению с ним, и производственный процесс потребовал четыре месяца, чтобы создать устройство.[4] These differences are largely due to the different form of transformation: the original 2006 cloak transformed a singular point, while the ground-plane version transforms a plane, and the transformation in the carpet cloak was quasi-conformal, rather than non-conformal.

Other theories of cloaking

Основная статья: Theories of cloaking

Other theories of cloaking discuss various science and research based theories for producing an electromagnetic cloak of invisibility. Theories presented employ transformation optics, event cloaking, dipolar scattering cancellation, tunneling light transmittance, sensors and active sources, and acoustic cloaking.

Институциональные исследования

The research in the field of метаматериалы has diffused out into the American government science research departments, including the US Командование военно-воздушных систем, ВВС США, и Армия США. Many scientific institutions are involved including:[нужна цитата ]

Funding for research into this technology is provided by the following Американец agencies:[48]

Through this research, it has been realized that developing a method for controlling electromagnetic fields can be applied to escape detection by radiated probing, or сонар technology, and to improve коммуникации в микроволновая печь классифицировать; that this method is relevant to superlens design and to the cloaking of objects within and from электромагнитные поля.[9]

В новостях

On October 20, 2006, the day after Duke University achieved enveloping and "disappearing" an object in the microwave range, the story was reported by Ассошиэйтед Пресс.[49] Media outlets covering the story included USA Today, MSNBC's Countdown With Keith Olbermann: Зрение невидимое, The New York Times with Cloaking Copper, Scientists Take Step Toward Invisibility, (London) The Times with Don't Look Now—Visible Gains in the Quest for Invisibility, Christian Science Monitor with Disappear Into Thin Air? Scientists Take Step Toward Invisibility, Australian Broadcasting, Reuters with Invisibility Cloak a Step Closer, and the (Raleigh) News & Observer with 'Invisibility Cloak a Step Closer.[49]

On November 6, 2006, the Duke University research and development team was selected as part of the Scientific American best 50 articles of 2006.[50]

In the month of November 2009, "research into designing and building unique 'metamaterials' has received a £4.9 million funding boost. Metamaterials can be used for invisibility 'cloaking' devices, sensitive security sensors that can detect tiny quantities of dangerous substances, and flat lenses that can be used to image tiny objects much smaller than the wavelength of light."[51]

In November 2010, scientists at the University of St Andrews in Scotland reported the creation of a flexible cloaking material they call "Metaflex", which may bring industrial applications significantly closer.[52]

In 2014, the world 's first 3D acoustic device was built by Duke engineers.[53]

Смотрите также

Академические журналы
Metamaterials books

Рекомендации

  1. ^ а б c d Shalaev, V. M. (2008). "PHYSICS: Transforming Light". Наука. 322 (5900): 384–386. Дои:10.1126/science.1166079. PMID  18927379. S2CID  206516379.
  2. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п Pendry, J.B.; Schurig, D.; Smith, D. R. (2006). "Controlling Electromagnetic Fields" (PDF). Наука. 312 (5514): 1780–1782. Bibcode:2006Sci...312.1780P. Дои:10.1126/science.1125907. PMID  16728597. S2CID  7967675. Архивировано из оригинал (Бесплатная загрузка PDF) на 2016-03-04. Получено 2010-12-08.
  3. ^ а б c d е ж грамм час я Schurig, D.; и другие. (2006). "Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies". Наука. 314 (5801): 977–980. Bibcode:2006Sci...314..977S. Дои:10.1126/science.1133628. PMID  17053110. S2CID  8387554. A recently published theory has suggested that a cloak of invisibility is in principle possible, at least over a narrow frequency band. We describe here the first practical realization of such a cloak; in our demonstration, a copper cylinder was 'hidden' inside a cloak constructed according to the previous theoretical prescription. The cloak was constructed with the use of artificially structured metamaterials, designed for operation over a band of microwave frequencies. The cloak decreased scattering from the hidden object while at the same time reducing its shadow, so that the cloak and object combined began to resemble empty space.
  4. ^ а б c Мерритт, Ричард; Smith, DavidR.; Liu, Ruopeng; Ji, Chunlin (2009-01-16). "Summary: New algorithms developed to guide manufacture of metamaterials". Office of News & Communications, Duke University. Архивировано из оригинал on February 20, 2009. Получено 2009-08-06.
  5. ^ а б Kildishev, A.V.; Shalaev, V.M. (2007). "Engineering space for light via transformation optics" (PDF). Письма об оптике. 33 (1): 43–45. arXiv:0711.0183. Bibcode:2008OptL...33...43K. Дои:10.1364/OL.33.000043. PMID  18157252. S2CID  15407450. Получено 2010-02-14.
  6. ^ а б c d е Engheta, Nader; Richard W. Ziolkowski (June 2006). Метаматериалы: физика и инженерные изыскания. Wiley & Sons. pp. xv, Chapter 1, Chapter 2. ISBN  978-0-471-76102-0.
  7. ^ а б Chen, Huanyang; C. T. Chan, C.T. and Sheng, Ping (April 23, 2010). "Transformation optics and metamaterials". Материалы Природы. 9 (5): 387–396. Bibcode:2010NatMa...9..387C. Дои:10.1038/nmat2743. PMID  20414221. S2CID  205404142. Underpinned by the advent of metamaterials, transformation optics offers great versatility for controlling electromagnetic waves to create materials with specially designed properties. Here we review the potential of transformation optics to create functionalities in which the optical properties can be designed almost at will. This approach can be used to engineer various optical illusion effects, such as the invisibility cloak.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  8. ^ а б c "Waves & Metamaterials". Research & Faculty. Duke University – Pratt School of Engineering. 3 декабря 2010 г.. Получено 2011-01-10.
  9. ^ а б c d е ж грамм час Leonhardt, Ulf (Jun 2006). «Оптическое конформное отображение» (PDF). Наука. 312 (5781): 1777–1780. Bibcode:2006Научный ... 312.1777Л. Дои:10.1126 / science.1126493. PMID  16728596. S2CID  8334444. Архивировано из оригинал (Бесплатная загрузка PDF) на 2016-03-04. Получено 2010-12-08.
  10. ^ "Transformation Optics May Usher in a Host of Radical Advances". Azonano Nanotechnology (magazine). online: AZoM.com Pty.Ltd. October 17, 2008. pp. 1 of 1. Получено 2010-05-24.
  11. ^ Pendry, Sir John (2006). "Transformation Optics". Imperial College, London. Архивировано из оригинал (online free access to description of Transformation Optics) на 2009-08-15. Получено 2010-05-24.
  12. ^ Schurig, David; David Smith; Steve Cummer (2008). "Transformation Optics and Cloaking". Center for Metamaterials & Integrated Plasmonics. Получено 2010-05-24.
  13. ^ Service, R. F.; Cho, A (17 December 2010). "Strange New Tricks With Light". Наука. 330 (6011): 1622. Bibcode:2010Sci...330.1622S. Дои:10.1126/science.330.6011.1622. PMID  21163994.
  14. ^ а б c Hotz, Robert Lee (2010-03-07). "Behold the Appearance of the Invisibility Cloak". Wall Street Journal. pp. Printed in The Wall Street Journal, page A7, Science Journal section. Получено 2010-03-04.
  15. ^ а б c d е ж грамм Хэпгуд, Фред; Grant, Andrew (2009-03-10). «Метаматериальная революция: новая наука о том, как заставить что-нибудь исчезнуть». Обнаружить. pp. 4 pages. Архивировано из оригинал на 2019-03-31. Получено 2015-04-12.
  16. ^ Diane Fisher, Nancy Leon, Alexander Novati, [1]; и другие. (2008-06-17). "Space Place – Glossary" (Public Domain – НАСА web site). НАСА. Получено 2010-03-08.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  17. ^ Gregory Hallock Smith (2006). Camera lenses: from box camera to digital. SPIE Press. п. 4. ISBN  978-0-8194-6093-6.
  18. ^ а б c "First Demonstration of a Working Invisibility Cloak". Office of News & Communications Duke University. Архивировано из оригинал в 2009-07-19. Получено 2009-05-05.
  19. ^ Smith, D. R .; Padilla, Willie; Vier, D.; Nemat-Nasser, S.; Schultz, S. (2000). "Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity" (PDF). Письма с физическими проверками. 84 (18): 4184–7. Bibcode:2000PhRvL..84.4184S. Дои:10.1103/PhysRevLett.84.4184. PMID  10990641. Архивировано из оригинал (PDF) 18 марта 2010 г.
  20. ^ McDonald, Kim (2000-03-21). "UCSD Physicists Develop a New Class of Composite Material with 'Reverse' Physical Properties Never Before Seen". UCSD Наука и Инженерное дело. Получено 2010-12-17.
  21. ^ Petit, Charles (2009-11-21). "Invisibility Uncloaked". Новости науки. 176 (11): 18. Дои:10.1002/scin.5591761125. Получено 2010-04-10.
  22. ^ а б c Mourad, Zghal; и другие. (2007-06-03). Nantel, Marc (ed.). "The first steps for learning optics: Ibn Sahl's, Al-Haytham's and Young's works on refraction as typical examples" (Free PDF download. Permanent citation link ). OSA Technical Digest Series: ETOP(2007) ESB2. Tenth International Topical Meeting on Education and Training in Optics and Photonics. Conference Paper: 01 (7 pages). Bibcode:2007SPIE.9665E..09Z. Дои:10.1117/12.2207465. S2CID  13875045. Получено 2010-04-27.
  23. ^ а б Smith, A. Mark (1996). Ptolemy's Theory of Visual Perception– An English translation of the Optics. Американское философское общество. ISBN  978-0-87169-862-9. Получено 2009-06-27.
  24. ^ а б Willebrord Snell в От Архимеда до Хокинга: законы науки и великие умы, стоящие за ними (Clifford A. Pickover, 2008).
  25. ^ Smith, D.R .; Research group of Дэвид Р. Смит (2009-03-13). "Smith lab featured in Wall Street Journal" (Novel Electromagnetic Media, Meta Group, Duke U ). Университет Дьюка. Получено 2010-03-04.
  26. ^ Hirose, Akira (2010-03-05). Chavel, Pierre H; Miller, David A. B; Thienpont, Hugo (eds.). "Wave Aspects of Light". Proc. SPIE. Optics in Computing '98. 3490: 95. Bibcode:1998SPIE.3490...95H. Дои:10.1117/12.308894. S2CID  62568451.
  27. ^ Itzkoff, D. (2008-03-13). "Why Don't We Invent It Tomorrow?" (Popular accounting of the cloaking device in the New York Times.). Обрывки бумаги. Нью-Йорк Таймс. Получено 2010-03-05.
  28. ^ а б Chang, Kenneth (June 12, 2007). "Light Fantastic: Flirting With Invisibility". Нью-Йорк Таймс. Получено 2010-05-21.
  29. ^ а б c Rincon, Paul (2006-10-19). "Experts test cloaking technology". Новости BBC. Получено 2008-08-05.
  30. ^ Ornes, Stephen (2010-02-15). "The science of disappearing" (This article is a brief overview of the first cloaking demonstration (2006) and recounted in February 2010.). ScienceNews the Magazine of the Society for Science & the Public. Получено 2010-03-06.
  31. ^ Padilla, Willie J.; Смит, Дэвид Р .; Basov, Dimitri N. (2006-03-01). "Spectroscopy of metamaterials from infrared to optical frequencies" (PDF). JOSA B. 23 (3): 404–414. Bibcode:2006JOSAB..23..404P. Дои:10.1364/JOSAB.23.000404. Получено 2010-02-01.
  32. ^ Zouhdi, Saïd; Ari Sihvola, Alexey P. Vinogradov (December 2008). Metamaterials and Plasmonics: Fundamentals, Modelling, Applications. Нью-Йорк: Springer-Verlag. pp. 3–10, Chap. 3, 106. ISBN  978-1-4020-9406-4.
  33. ^ Смит, Дэвид Р. (2006-06-10). "What are Electromagnetic Metamaterials?". Novel Electromagnetic Materials. The research group of D.R. Смит. Архивировано из оригинал 20 июля 2009 г.. Получено 2009-08-19.
  34. ^ Veselago, V. G. (1968). "The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of [permittivity] and [permeability]". Успехи СССР.. 10 (4): 509–514. Bibcode:1968SvPhU..10..509V. Дои:10.1070/PU1968v010n04ABEH003699.
  35. ^ David R. Smith Duke U. Engineering (2009). "Novel Electromagnetic Media — Research Group of David R. Smith". Meta Group Duke University. Получено 2009-07-15.
  36. ^ Schurig, D.; Pendry JB, Smith DR (September 29, 2006). "Calculation of material properties and ray tracing in transformation media" (Бесплатная загрузка PDF). Opt Express. 14 (21): 9794–9804. arXiv:physics/0607205. Bibcode:2006OExpr..14.9794S. Дои:10.1364/OE.14.009794. PMID  19529371. S2CID  485494.
  37. ^ а б c d е Justice, BJ; Mock JJ, Guo L, Degiron A, Schurig D, Smith DR. (2006). "Spatial mapping of the internal and external electromagnetic fields of negative index metamaterials". Оптика Экспресс. 14 (19): 8694–8705. Bibcode:2006OExpr..14.8694J. Дои:10.1364/OE.14.008694. PMID  19529250. S2CID  40725177.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  38. ^ Gabrielli; Jaime Cardenas; Poitras; Michal Lipson (2009). "Silicon nanostructure cloak operating at optical frequencies". Природа Фотоника. 3 (8): 461–463. arXiv:0904.3508. Bibcode:2009NaPho...3..461G. Дои:10.1038/nphoton.2009.117. S2CID  19395895.
  39. ^ Filiberto Bilotti; Simone Tricarico; Lucio Vegni (2008). "Plasmonic metamaterial cloaking at optical frequencies". arXiv:0807.4945 [physics.optics ].
  40. ^ Laboratory News. "Watery success for Acoustic cloak". Metropolis International Group Ltd. Archived from оригинал (Online article) 24 июля 2011 г.. Получено 12 февраля, 2011. Researchers from the University of Illinois – led by mechanical science and engineering professor, Nicholas Fang – have developed an acoustic cloak which renders submerged objects invisible.
  41. ^ Nelson, Bryn (January 19, 2011). "New metamaterial could render submarines invisible to sonar". Обновление защиты. Архивировано из оригинал (В сети) 22 января 2011 г.. Получено 2011-01-31.
  42. ^ "Acoustic cloaking could hide objects from sonar". Information for Mechanical Science and Engineering. Университет Иллинойса (Urbana-Champaign). 21 апреля 2009 г. Архивировано с оригинал (В сети) 17 февраля 2011 г.. Получено 2011-02-01.
  43. ^ "Newly Developed Cloak Hides Underwater Objects From Sonar". Новости США - Наука. 2011 U.S. News & World Report. January 7, 2011. Archived from оригинал (В сети) 17 февраля 2011 г.. Получено 2011-06-01.
  44. ^ Quick, Darren (March 11, 2014). "World's first 3D acoustic cloaking device created". Gizmag.
  45. ^ Smith, David R. (25 July 2014). "A cloaking coating for murky media". Наука. 345 (6195): 384–5. Bibcode:2014Sci...345..384S. Дои:10.1126/science.1256753. PMID  25061192. S2CID  206559590.
  46. ^ Schittny, R.; Kadic, M.; Buckmann, T.; Wegener, M. (25 July 2014). "Invisibility cloaking in a diffuse light scattering medium". Наука. 345 (6195): 427–9. Bibcode:2014Sci...345..427S. Дои:10.1126/science.1254524. PMID  24903561. S2CID  206557843.
  47. ^ Лю, Р; Ji, C; Mock, J. J.; Chin, J. Y.; Cui, T. J.; Smith, D. R. (January 16, 2009). "Broadband Ground-Plane Cloak". Наука. 323 (5912): 366–369. Bibcode:2009Sci...323..366L. Дои:10.1126/science.1166949. PMID  19150842. S2CID  206516809.
  48. ^ Смит, Дэвид Р .; NAVAIR, SensorMetrix, AFOSR, ARO, DARPA, NGA, MURI, and multiple universities (2009). "Programs Collaborators Funding". Университет Дьюка. Архивировано из оригинал 19 августа 2009 г.. Получено 2009-07-04.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  49. ^ а б "Duke University in the News: Invisibility Could Become a Reality" (Пресс-релиз). 2006. Архивировано с оригинал 18 августа 2009 г.. Получено 2009-06-30.
  50. ^ "Invisibility Cloak Lands Duke Engineers on 'Scientific American 50'" (Пресс-релиз). 2006. Архивировано с оригинал 19 июня 2010 г.. Получено 2009-06-30.
  51. ^ Reeves, Danielle (November 12, 2009). "£4.9 million to develop metamaterials for 'invisibility cloaks' and 'perfect lenses'" (выпуск новостей). Imperial College London press office. Получено 2010-12-30.
  52. ^ Flexible metamaterials at visible wavelengths, Andrea Di Falco et al 2010 New J. Phys. 12 113006
  53. ^ "Acoustic Cloaking Device Hides Objects from Sound - Duke Pratt School of Engineering". www.pratt.duke.edu.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка