Novi metamaterijali: svjetlo pod kontrolom
Mnoštvo izvještaja o "metamaterijalima" (pod navodnicima, jer definicija počinje da se zamagljuje) tjeraju nas da razmišljamo o njima kao o gotovo lijeku za sve probleme, bolove i ograničenja s kojima se suočava moderni svijet tehnologije. Najzanimljiviji koncepti u posljednje vrijeme tiču se optičkih računala i virtuelne stvarnosti.
u vezi hipotetički kompjuteri budućnostikao primjer može se navesti istraživanje stručnjaka sa izraelskog TAU univerziteta u Tel Avivu. Oni dizajniraju višeslojne nanomaterijale koje bi trebalo koristiti za stvaranje optičkih računara. Zauzvrat, istraživači sa švicarskog instituta Paul Scherrer izgradili su trofaznu supstancu od milijardu minijaturnih magneta sposobnih za simulirati tri agregatna stanja, po analogiji sa vodom.
Za šta se može koristiti? Izraelci žele da grade. Švajcarci govore o prenosu i snimanju podataka, kao io spintronici uopšte.
Trofazni minimagnetni metamaterijal koji oponaša tri stanja vode.
Fotoni na zahtjev
Istraživanja naučnika iz Nacionalne laboratorije Lawrence Berkeley pri Ministarstvu energetike mogu dovesti do razvoja optičkih kompjutera zasnovanih na metamaterijalima. Oni predlažu stvaranje svojevrsnog laserskog okvira koji može uhvatiti određene pakete atoma na određenom mjestu, stvarajući striktno dizajniran, kontroliran struktura zasnovana na svjetlosti. Podsjeća na prirodne kristale. S jednom razlikom - gotovo je savršen, nema nedostataka u prirodnim materijalima.
Naučnici vjeruju da ne samo da će moći čvrsto kontrolirati položaj grupa atoma u svom "svjetlosnom kristalu", već će i aktivno utjecati na ponašanje pojedinačnih atoma pomoću drugog lasera (blizu infracrvenog opsega). Natjerat će ih, na primjer, da emituju određenu energiju - čak i jedan foton, koji, kada se ukloni s jednog mjesta u kristalu, može djelovati na atom zarobljen u drugom. Biće to neka vrsta jednostavne razmene informacija.
Sposobnost brzog oslobađanja fotona na kontroliran način i prijenosa s malim gubicima s jednog atoma na drugi važan je korak obrade informacija za kvantno računanje. Može se zamisliti korištenje čitavih nizova kontroliranih fotona za izvođenje vrlo složenih proračuna – mnogo brže nego korištenje modernih kompjutera. Atomi ugrađeni u veštački kristal takođe su mogli da skaču sa jednog mesta na drugo. U ovom slučaju, oni bi sami postali nosioci informacija u kvantnom kompjuteru ili bi mogli stvoriti kvantni senzor.
Naučnici su otkrili da su atomi rubidijuma idealni za svoje potrebe. Međutim, atomi barija, kalcija ili cezijuma također mogu biti zarobljeni umjetnim laserskim kristalom jer imaju slične energetske razine. Da bi predloženi metamaterijal napravio u pravom eksperimentu, istraživački tim bi morao uhvatiti nekoliko atoma u umjetnoj kristalnoj rešetki i zadržati ih tamo čak i kada su uzbuđeni do viših energetskih stanja.
Virtuelna stvarnost bez optičkih defekata
Metamaterijal bi mogao naći korisnu primjenu u drugom području tehnologije u razvoju -. Virtuelna stvarnost ima mnogo različitih ograničenja. Nesavršenosti optike koje su nam poznate igraju značajnu ulogu. Praktično je nemoguće izgraditi savršen optički sistem, jer uvek postoje takozvane aberacije, tj. izobličenje talasa uzrokovano raznim faktorima. Svjesni smo sfernih i hromatskih aberacija, astigmatizma, kome i mnogih, mnogih drugih štetnih efekata optike. Svako ko je koristio setove virtuelne realnosti morao se suočiti sa ovim fenomenima. Nemoguće je dizajnirati VR optiku koja je lagana, proizvodi slike visokog kvaliteta, nema vidljivu dugu (hromatske aberacije), daje veliko vidno polje i bude jeftina. Ovo je jednostavno nestvarno.
Zbog toga proizvođači VR opreme Oculus i HTC koriste ono što se zove Fresnel sočiva. To vam omogućava da dobijete znatno manju težinu, eliminirate kromatske aberacije i dobijete relativno nisku cijenu (materijal za proizvodnju takvih sočiva je jeftin). Nažalost, lomni prstenovi uzrokuju w Fresnelova sočiva značajan pad kontrasta i stvaranje centrifugalnog sjaja, što je posebno uočljivo kada scena ima visok kontrast (crna pozadina).
Međutim, nedavno su naučnici sa Univerziteta Harvard, predvođeni Federicom Capassom, uspjeli da se razviju tanka i ravna sočiva koja koriste metamaterijale. Sloj nanostrukture na staklu je tanji od ljudske kose (0,002 mm). Ne samo da nema tipične nedostatke, već pruža i mnogo bolji kvalitet slike od skupih optičkih sistema.
Capasso sočivo, za razliku od tipičnih konveksnih sočiva koje savijaju i rasipaju svjetlost, mijenja svojstva svjetlosnog vala zbog mikroskopskih struktura koje vire iz površine, nanesene na kvarcno staklo. Svaka takva izbočina drugačije lomi svjetlost, mijenjajući svoj smjer. Stoga je važno pravilno distribuirati takvu nanostrukturu (uzorak) koja je kompjuterski dizajnirana i proizvedena metodama sličnim kompjuterskim procesorima. To znači da se ova vrsta sočiva može proizvoditi u istim fabrikama kao i ranije, koristeći poznate proizvodne procese. Za raspršivanje se koristi titan dioksid.
Vrijedi spomenuti još jedno inovativno rješenje "meta-optike". metamaterijalne hiperlezesnimljeno na Američkom univerzitetu u Buffalu. Prve verzije hiperleća bile su napravljene od srebra i dielektričnog materijala, ali su radile samo u vrlo uskom rasponu valnih dužina. Naučnici iz Buffala koristili su koncentrični raspored zlatnih šipki u termoplastičnom kućištu. Radi u opsegu talasnih dužina vidljive svetlosti. Istraživači ilustruju povećanje rezolucije koje je rezultat novog rješenja koristeći medicinski endoskop kao primjer. Obično prepoznaje objekte do 10 nanometara, a nakon instaliranja hipersočiva "pada" na 250 nanometara. Dizajnom je prevaziđen problem difrakcije, fenomen koji značajno smanjuje rezoluciju optičkih sistema - umesto talasne distorzije, oni se pretvaraju u talase koji se mogu snimiti u kasnijim optičkim uređajima.
Prema publikaciji u Nature Communications, ova metoda se može koristiti u mnogim područjima, od medicine do promatranja pojedinačnih molekula. Prikladno je sačekati betonske uređaje na bazi metamaterijala. Možda će omogućiti da virtualna stvarnost konačno postigne pravi uspjeh. Što se tiče "optičkih kompjutera", to su još uvijek prilično daleke i nejasne perspektive. Međutim, ništa se ne može isključiti...
