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Avvicinare i Mantelli dell'Invisibilità
In un passo importante verso lo sviluppo di mantelli pratici dell'invisibilità, i ricercatori hanno progettato due nuovi materiali che piegano la luce in modi completamente nuovi. Questi materiali sono i primi che lavorano nella banda ottica dello spettro, che comprende luce visibile e infrarossa; i materiali di copertura esistenti funzionano solo con le microonde. Tali mantelli, a lungo raffigurati nella fantascienza, permetterebbero agli oggetti, dagli aerei da guerra alle persone, di nascondersi in bella vista.
Rete invisibile: Un nuovo materiale che può piegare la luce del vicino infrarosso in un modo unico ha una struttura a rete. Queste immagini di un prisma realizzato con il materiale sono state scattate con un microscopio elettronico a scansione. I fori nella rete consentono al materiale di interagire con la componente magnetica della luce, che consente l'insolita piegatura e dimostra la sua promessa per l'uso in futuri mantelli dell'invisibilità. Nell'inserto sono visibili gli strati di metallo e materiale isolante che compongono il metamateriale.
Entrambi i materiali, descritti separatamente nelle riviste Scienza e Natura questa settimana, mostra una proprietà chiamata rifrazione negativa che nessun materiale naturale possiede. Quando la luce passa attraverso i materiali, si piega all'indietro. Un materiale funziona con la luce visibile; l'altro è stato dimostrato con luce nel vicino infrarosso.
I materiali, creati nel laboratorio dell'Università della California, Berkeley, ingegnere Xiang Zhang , potrebbe mostrare la strada verso i mantelli dell'invisibilità che proteggono gli oggetti dalla luce visibile. Ma Steven Cummer , un ingegnere della Duke University coinvolto nello sviluppo del mantello a microonde, avverte che c'è ancora molta strada da fare prima che i nuovi materiali possano essere usati per l'occultamento. I materiali di copertura devono guidare la luce in modo controllato in modo molto preciso in modo che scorra intorno a un oggetto, riformandosi dall'altra parte senza distorsioni. I materiali di Berkeley possono piegare la luce nel modo fondamentale necessario per l'occultamento, ma richiederanno ulteriore ingegneria per manipolare la luce in modo che sia attentamente diretta.
Uno dei nuovi materiali Berkeley è costituito da strati alternati di metallo e un materiale isolante, entrambi perforati con una griglia di fori quadrati. Lo spessore totale del dispositivo è di circa 800 nanometri; i fori sono ancora più piccoli. Questi strati sovrapposti formano circuiti di corrente elettrica che rispondono al campo magnetico della luce, consentendo le sue proprietà di piegatura uniche, afferma Jason Valentino , uno studente laureato nel laboratorio di Zhang. I materiali naturali, al contrario, non interagiscono con la componente magnetica delle onde elettromagnetiche. Modificando la dimensione dei fori, i ricercatori possono sintonizzare il materiale su diverse frequenze di luce. Finora, hanno dimostrato la rifrazione negativa della luce nel vicino infrarosso utilizzando un prisma realizzato con il materiale.
I ricercatori hanno cercato di creare tali materiali per quasi 10 anni, da quando si è reso conto che la rifrazione negativa potrebbe effettivamente essere possibile. Altri ricercatori sono stati solo in grado di creare singoli strati troppo sottili e troppo inefficienti per le applicazioni dei dispositivi. Il materiale Berkeley è circa 10 volte più spesso rispetto ai modelli precedenti, il che aiuta ad aumentare la quantità di luce che trasmette e allo stesso tempo lo rende abbastanza robusto da essere la base per dispositivi reali. Questo si sta avvicinando ai dispositivi reali su scala nanometrica, dice Cummer del prisma di Berkeley.
Il secondo materiale è costituito da nanofili d'argento annegati nell'alluminio. Il mezzo nanowire funziona come fasci di fibre ottiche, quindi in linea di principio è abbastanza diverso, dice Nicholas Fang , professore di scienze meccaniche e ingegneria presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champagne, che non è stato coinvolto nella ricerca. La struttura a griglia a strati non solo piega la luce nella direzione negativa; lo fa anche viaggiare all'indietro. Anche la luce trasmessa attraverso la struttura del nanofilo si piega nella direzione negativa, ma senza viaggiare all'indietro. Poiché il lavoro è ancora nelle prime fasi, non è chiaro quale metamateriale ottico funzionerà meglio e per quali applicazioni. Forse le soluzioni future fonderanno questi due approcci, afferma Fang.
Realizzare un mantello dell'invisibilità porrà grandi sfide ingegneristiche. Per prima cosa, i ricercatori dovranno ridimensionare il materiale anche per occultare un piccolo oggetto: i dispositivi di occultamento a microonde esistenti e i progetti teorici per i mantelli ottici devono avere molti strati di spessore per guidare la luce intorno agli oggetti senza distorsioni. Realizzare materiali per l'occultamento delle microonde è stato più facile perché queste lunghezze d'onda possono essere controllate da caratteristiche strutturali relativamente grandi. Per guidare la luce visibile attorno a un oggetto sarà necessario un materiale la cui struttura è controllata su scala nanometrica, come quelli realizzati a Berkeley.
Lo sviluppo di dispositivi di occultamento potrebbe richiedere del tempo. A breve termine, i materiali di Berkeley potrebbero essere utili nelle telecomunicazioni e nella microscopia. Le guide d'onda su nanoscala e altri dispositivi realizzati con i materiali potrebbero superare una delle principali sfide nel ridimensionare le comunicazioni ottiche a livello di chip: consentire il controllo preciso di flussi paralleli di luce ricca di informazioni sullo stesso chip in modo che non interferiscano l'uno con l'altro. E i nuovi materiali potrebbero anche essere sviluppati in lenti per microscopi ottici. Le cosiddette superlenti per aggirare i limiti di risoluzione fondamentali sui microscopi ottici sono state sviluppate da Fang e altri, rivelando il funzionamento di molecole biologiche con risoluzione su scala nanometrica utilizzando la luce ultravioletta, che è dannosa per le cellule viventi in grandi dosi. Ma non è stato possibile realizzare superlenti che funzionino nelle parti dello spettro visibili e vicine all'infrarosso, ricche di informazioni e adatte alle cellule.