Teorie maskowania
| Artykuły o |
| elektromagnetyzmie |
|---|
 |
Teorie maskowania omawiają różne teorie oparte na nauce i badaniach , dotyczące wytwarzania elektromagnetycznego urządzenia maskującego . Przedstawione teorie wykorzystują optykę transformacyjną , maskowanie zdarzeń, eliminację rozpraszania dipolarnego, przepuszczalność światła tunelowego, czujniki i źródła aktywne oraz maskowanie akustyczne .
Urządzenie maskujące to takie, w którym celem transformacji jest ukrycie czegoś, tak aby określony obszar przestrzeni był niewidocznie odizolowany od przechodzących pól elektromagnetycznych (patrz maskowanie metamateriałów) lub fal dźwiękowych. Obiekty w określonej lokalizacji są nadal obecne, ale padające fale są kierowane wokół nich bez wpływu samego obiektu. Wraz z tym podstawowym „ urządzeniem maskującym ” w recenzowanych artykułach naukowych zaproponowano inne powiązane koncepcje i są tutaj omawiane. Naturalnie, niektóre z omawianych tutaj teorii również wykorzystują metamateriały, czy to elektromagnetyczne , czy akustyczne , chociaż często w inny sposób niż pierwotna demonstracja i jej następca, płaszcz szerokopasmowy .
Pierwszy płaszcz elektromagnetyczny
Pierwsze elektromagnetyczne urządzenie maskujące zostało wyprodukowane w 2006 roku przy użyciu metamateriałów o współczynniku gradientu . Doprowadziło to do powstania rozwijającej się dziedziny optyki transformacyjnej (a obecnie akustyki transformacyjnej), w której rozchodzeniem się fal można precyzyjnie manipulować, kontrolując zachowanie materiału, przez który przechodzi światło (dźwięk).
Zwykłe maskowanie przestrzenne
Fale i materiał macierzysty, w którym się rozprzestrzeniają, pozostają w symbiozie: obie działają na siebie. Prosty płaszcz przestrzenny polega na precyzyjnym dostrojeniu właściwości ośrodka propagacji w celu płynnego skierowania przepływu wokół obiektu, jak woda przepływająca obok skały w strumieniu, ale bez odbicia lub tworzenia turbulencji. Inną analogią jest przepływ samochodów przejeżdżających przez symetryczną wysepkę mogły być na niej posadzone kwiaty lub duży billboard reklamowy .
Chociaż obie powyższe analogie mają domniemany kierunek (kierunek przepływu wody lub orientacja drogi), peleryny są często projektowane tak, aby były izotropowe , tj. działały równie dobrze we wszystkich orientacjach. Nie muszą one jednak być tak ogólne i mogą działać tylko w dwóch wymiarach, jak w oryginalnej demonstracji elektromagnetycznej, lub tylko z jednej strony, jak w przypadku tzw. płaszcza dywanowego .
Płaszcze przestrzenne mają inne cechy: cokolwiek zawierają, może (w zasadzie) pozostać niewidoczne na zawsze, ponieważ obiekt wewnątrz płaszcza może po prostu tam pozostać. Sygnały emitowane przez obiekty wewnątrz peleryny, które nie są wchłaniane, mogą również zostać uwięzione na zawsze przez jej wewnętrzną strukturę. Gdyby przestrzenny płaszcz można było dowolnie włączać i wyłączać, obiekty w środku pojawiałyby się i znikały odpowiednio.
Maskowanie czasoprzestrzenne
Płaszcz zdarzeń to sposób manipulowania promieniowaniem elektromagnetycznym w czasie i przestrzeni w taki sposób, że pewien zbiór wydarzeń lub wydarzeń jest ukryty przed odległymi obserwatorami. Koncepcyjnie włamywacz może wejść na miejsce zdarzenia, ukraść gotówkę i wyjść, podczas gdy kamera monitorująca przez cały czas rejestruje zamknięte i nienaruszone drzwi sejfu. Koncepcja wykorzystuje naukę o metamateriałach, w których światło może zachowywać się w sposób, który nie występuje w naturalnie występujących materiałach.
Płaszcz zdarzeń działa poprzez zaprojektowanie medium, w którym różne części światła oświetlające określony region mogą zostać spowolnione lub przyspieszone. Wiodąca część światła jest przyspieszana, tak że dociera przed wystąpieniem zdarzeń, podczas gdy część tylna jest spowalniana i dociera zbyt późno. Po ich wystąpieniu światło jest przekształcane poprzez spowolnienie części wiodącej i przyspieszenie części tylnej. Daleki obserwator widzi tylko ciągłą iluminację, podczas gdy wydarzenia, które miały miejsce podczas ciemnego okresu działania peleryny, pozostają niewykryte. Koncepcję tę można odnieść do ruchu na autostradzie: w pewnym momencie niektóre samochody przyspieszają, a te z tyłu zwalniają. Rezultatem jest tymczasowa przerwa w ruchu umożliwiająca przejściu pieszego. Następnie proces można odwrócić, aby ruch wznowił ciągły przepływ bez przerwy. Traktując samochody jako cząstki światła (fotony), obserwator jadący autostradą nigdy nie podejrzewa, że pieszy przechodzi przez jezdnię, widząc nieprzerwany i niezakłócony przepływ samochodów.
Aby uzyskać absolutne ukrycie, zdarzenia muszą być niepromieniujące. Jeśli emitują one światło podczas swojego występowania (np. poprzez fluorescencję), to światło to jest odbierane przez odległego obserwatora jako pojedynczy błysk.
Zastosowania Event Cloak obejmują możliwość osiągnięcia „przerwania bez przerwania” w kanałach danych, które zbiegają się w węźle. Podstawowe obliczenia mogą zostać tymczasowo zawieszone w celu przetworzenia informacji o priorytecie z innego kanału. Następnie zawieszony kanał można wznowić w taki sposób, aby wyglądał tak, jakby nigdy nie został przerwany.
Pomysł na pelerynę eventową został po raz pierwszy zaproponowany przez zespół naukowców z Imperial College London (Wielka Brytania) w 2010 roku i opublikowany w czasopiśmie Journal of Optics. Eksperymentalna demonstracja podstawowej koncepcji przy użyciu nieliniowej technologii optycznej została przedstawiona w przeddruku dotyczącym fizyki Cornella arXiv . Wykorzystuje to soczewki czasowe do spowalniania i przyspieszania światła, a tym samym ulepsza pierwotną propozycję McCalla i in. który zamiast tego opierał się na nieliniowym współczynniku załamania światła światłowodów . Eksperyment twierdzi, że zamaskowany przedział czasu wynosi około 10 pikosekund , ale to rozszerzenie do reżimów nanosekundowych i mikrosekundowych powinno być możliwe.
Zaproponowano również schemat maskowania zdarzeń, który wymaga pojedynczego ośrodka dyspersyjnego (zamiast dwóch kolejnych mediów o przeciwnej dyspersji) w oparciu o przyspieszające pakiety falowe. Pomysł opiera się na modulowaniu części monochromatycznej fali świetlnej za pomocą nieciągłego, nieliniowego ćwierkania częstotliwości, tak że w czasoprzestrzeni powstają dwie przeciwne przyspieszające substancje kaustyczne, gdy różne składowe częstotliwości rozchodzą się z różnymi prędkościami grupowymi w ośrodku dyspersyjnym. Ze względu na strukturę ćwierkania częstotliwości, rozszerzanie i kurczenie się przerwy czasowej odbywa się w sposób ciągły w tym samym ośrodku, tworząc w ten sposób dwuwypukłą przerwę czasową, która ukrywa zamknięte zdarzenia.
Anomalne zlokalizowane maskowanie rezonansu
W 2006 roku, w tym samym roku co pierwszy płaszcz metamateriałowy, zaproponowano inny rodzaj płaszcza. Ten rodzaj maskowania wykorzystuje rezonans fal świetlnych , jednocześnie dopasowując się do rezonansu innego obiektu. W szczególności cząstka umieszczona w pobliżu supersoczewki wydawałaby się znikać, ponieważ światło otaczające cząstkę rezonuje z tą samą częstotliwością co supersoczewka. Rezonans skutecznie zniwelowałby światło odbijające się od cząstki, czyniąc cząstkę elektromagnetycznie niewidoczną.
Maskowanie obiektów na odległość
W 2009 roku zaprojektowano pasywne urządzenie maskujące jako „zewnętrzne urządzenie niewidzialne”, które pozostawia ukryty obiekt na zewnątrz, aby mógł „zobaczyć” otoczenie. Opiera się to na założeniu, że badania nad maskowaniem nie zapewniły odpowiedniego rozwiązania nieodłącznego problemu; ponieważ żadne promieniowanie elektromagnetyczne nie może przedostać się ani opuścić zamaskowanej przestrzeni, pozostawia to ukryty przedmiot peleryny bez możliwości wizualnego lub innego wykrycia czegokolwiek poza zamaskowaną przestrzenią.
Takie urządzenie maskujące może również „maskować” tylko części obiektu, na przykład otwierając wirtualny wizjer w ścianie, aby zobaczyć drugą stronę.
Analogia ruchu zastosowana powyżej dla płaszcza przestrzennego może zostać zaadaptowana (choć niedoskonale) do opisania tego procesu. Wyobraź sobie, że w pobliżu ronda zepsuł się samochód, który zakłóca płynność ruchu, powodując, że samochody jadą innymi trasami lub tworzą korek . Ten zewnętrzny płaszcz odpowiada starannie zniekształconemu rondowi, które udaje się zniwelować lub przeciwdziałać efektowi zepsutego samochodu - tak, że gdy ruch uliczny odchodzi, nie ma na nim ponownie śladów ani ronda, ani zepsutego samochodu.
Osłona plazmoniczna
Osłona plazmoniczna , wspomniana obok osłon metamateriałowych (patrz metamateriały plazmoniczne ), teoretycznie wykorzystuje efekty rezonansu plazmonicznego do zmniejszenia całkowitego przekroju poprzecznego rozpraszania sferycznych i cylindrycznych obiektów. Są to bezstratne osłony metamateriałów w pobliżu ich rezonansu plazmowego, które mogą spowodować dramatyczny spadek przekroju poprzecznego rozpraszania, czyniąc te obiekty prawie „niewidzialnymi” lub „przezroczystymi” dla zewnętrznego obserwatora. Można zastosować niskostratne, a nawet bezstratne, pasywne osłony, które nie wymagają dużego rozpraszania, ale opierają się na zupełnie innym mechanizmie.
Do tego efektu wymagane są materiały o ujemnych lub niskich wartościach parametrów konstytutywnych. Pewne metale w pobliżu ich częstotliwości plazmy lub metamateriały o parametrach ujemnych mogłyby zaspokoić tę potrzebę. Na przykład kilka metali szlachetnych spełnia to wymaganie ze względu na ich przenikalność elektryczną w zakresie fal podczerwonych lub widzialnych przy stosunkowo niskich stratach.
Obecnie tylko mikroskopijnie małe obiekty mogą wydawać się przezroczyste.
Materiały te są dalej opisywane jako jednorodne, izotropowe, metamateriały pokrywające bliskie częstotliwości plazmy radykalnie redukujące pola rozpraszane przez dany obiekt. Co więcej, nie wymagają one żadnego procesu absorpcyjnego, żadnej anizotropii lub niejednorodności, ani żadnego usuwania interferencji.
„Klasyczna teoria” metamateriałów obejmuje prace ze światłem tylko o jednej określonej częstotliwości. Nowe badania Korta-Kampa i innych , którzy zdobyli nagrodę „School on Nonlinear Optics and Nanophotonics” w 2013 roku, pokazują, że możliwe jest dostrojenie metamateriału do różnych częstotliwości światła.
Tunelujący płaszcz przepuszczający światło
Jak wynika z nomenklatury, jest to rodzaj transmisji światła. Transmisja światła ( promieniowanie EM ) przez przedmiot, taki jak folia metaliczna, zachodzi przy pomocy tunelowania między rezonującymi wtrąceniami. Efekt ten można uzyskać na przykład poprzez osadzenie okresowej konfiguracji dielektryków w metalu. Tworząc i obserwując piki transmisyjne, interakcje między dielektrykami i efekty interferencyjne powodują mieszanie i rozszczepianie rezonansów. Przy efektywnej przenikalności bliskiej jedności wyniki można wykorzystać do zaproponowania metody uczynienia powstałych materiałów niewidocznymi.
Więcej badań nad technologią maskowania
Istnieją inne propozycje wykorzystania technologii maskowania.
W 2007 dokonano przeglądu maskowania metamateriałami i przedstawiono braki. Jednocześnie przedstawiono rozwiązania teoretyczne, które mogłyby poprawić zdolność maskowania obiektów. Później, w 2007 roku, matematyczne ulepszenie cylindrycznego ekranowania w celu wytworzenia elektromagnetycznego „tunelu czasoprzestrzennego” jest analizowane w trzech wymiarach. Elektromagnetyczne tunele czasoprzestrzenne, jako urządzenie optyczne (nie grawitacyjne), wywodzące się z teorii maskujących, mają potencjalne zastosowania w rozwoju niektórych obecnych technologii.
Inne postępy można osiągnąć dzięki supersoczewkom akustycznym . Ponadto metamateriały akustyczne umożliwiły uzyskanie ujemnego załamania fal dźwiękowych. Możliwe postępy mogłyby obejmować ulepszone skany ultrasonograficzne, wyostrzone dźwiękowe skany medyczne, bardziej szczegółowe mapy sejsmiczne oraz budynki, które nie są już podatne na trzęsienia ziemi. Obrazowanie pod ziemią można poprawić dzięki drobniejszym szczegółom. Supersoczewka akustyczna, maskowanie akustyczne i metamateriały akustyczne przekładają się na nowe zastosowania do skupiania lub sterowania falami dźwiękowymi.
Technologia maskowania akustycznego mogłaby zostać wykorzystana do powstrzymania obserwatora korzystającego z sonaru przed wykryciem obecności obiektu, który normalnie byłby wykrywalny, ponieważ odbija lub rozprasza fale dźwiękowe. Idealnie byłoby, gdyby technologia obejmowała szerokie spektrum wibracji w różnych skalach. Zakres może sięgać od miniaturowych elementów elektronicznych lub mechanicznych do dużych trzęsień ziemi. Chociaż największy postęp poczyniono w zakresie rozwiązań matematycznych i teoretycznych, ostatnio zademonstrowano laboratoryjne urządzenie metamateriałowe do unikania sonaru. Można go zastosować do fal dźwiękowych od 40 do 80 kHz.
Fale dotyczą również zbiorników wodnych. Opracowano teorię dotyczącą płaszcza, który mógłby „ukrywać” lub chronić stworzone przez człowieka platformy, statki i naturalne wybrzeża przed niszczycielskimi falami oceanu, w tym tsunami.
Zobacz też
- Książki
| Promienie gamma | |
|---|---|
| promienie rentgenowskie | |
| Ultrafioletowy | |
| Widoczny (optyczny) | |
| Podczerwień | |
| mikrofale | |
| Radio | |
| Rodzaje długości fali | |
