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Mantello dell'invisibilità Breakthrough
I metamateriali interagiscono con la luce in modi che sembrano violare le leggi della fisica. Possono piegare la luce attorno a un oggetto come se non ci fosse o restringere la risoluzione dei microscopi ottici fino a pochi nanometri. Ma i metamateriali devono essere accuratamente strutturati su nano e microscala per ottenere questi effetti esotici. Ora il ricercatore della Duke University che ha costruito il primo mantello dell'invisibilità nel 2006 ha creato un software che velocizza la progettazione dei metamateriali. Lui e i suoi colleghi hanno utilizzato il programma per costruire un complesso mantello di luce invisibile a un'ampia banda di luce a microonde, e l'hanno fatto in soli 10 giorni circa.
Ora lo vedi: Un nuovo dispositivo in grado di reindirizzare le radiazioni a microonde è composto da circa 600 strutture in rame a forma di I e funziona su un ampio spettro.
David R. Smith del Duca e Tai Jun Cui della Southeast University, a Nanjing, Cina, ha guidato il lavoro, che è un punto di riferimento nel campo dei metamateriali. Il mantello che i ricercatori hanno costruito funziona con lunghezze d'onda della luce che vanno da circa 1 a 18 gigahertz, una fascia ampia quanto lo spettro visibile. Nessuno ha ancora realizzato un dispositivo di occultamento che funzioni nello spettro visibile e quei metamateriali che sono stati fabbricati tendono a funzionare solo con strette bande di luce. Ma un mantello che rendesse invisibile alla luce un oggetto di un solo colore non sarebbe di grande utilità. Allo stesso modo, un dispositivo di occultamento non può permettersi di essere confuso: se lascia riflettere solo un po' di luce sull'oggetto che dovrebbe occultare, non è più efficace. Il mantello che Smith ha costruito è a bassissima perdita, reindirizzando con successo quasi tutta la luce che lo colpisce.
Il loro mantello ... risponde agli oppositori che avevano predetto che i mantelli sarebbero sempre stati a banda stretta e con perdite, dice John Pendry , cattedra di fisica teorica dello stato solido presso l'Imperial College di Londra. Pendry ha svolto il lavoro teorico su cui si basano sia il primo mantello dell'invisibilità che il suo nuovo successore. Inutile dire che sono molto soddisfatto di questo sviluppo, afferma Pendry. Lui e il suo collega dell'Imperial College Jensen Li ha proposto una versione teorica di un mantello a banda larga proprio l'anno scorso, e a quel tempo, dice, non si aspettava un progresso sperimentale così rapido.
Il mantello a banda larga è una struttura rettangolare che misura circa 50 per 10 centimetri, con un'altezza di circa 1 centimetro. È composto da circa 600 strutture in rame a forma di I. Realizzare ogni struttura è una cosa semplice, dice Smith. Sono modelli in rame su un circuito stampato, tagliati e sistemati. È una tecnologia ben nota e poco costosa. La parte difficile è determinare le dimensioni di ciascuna di queste 600 strutture e come disporle. Con il primo mantello leggero, che aveva solo 10 pezzi di questo tipo, abbiamo dovuto progettare ogni elemento mediante simulazioni numeriche, afferma Smith. Applicare lo stesso approccio al mantello più complicato avrebbe divorato mesi.
Anche per fisici e ingegneri, la matematica coinvolta nella progettazione teorica dei dispositivi di occultamento è molto difficile, afferma Nicholas Fang , professore di scienze meccaniche e ingegneria presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign. Il modo in cui un materiale interagisce con i componenti magnetici ed elettrici della luce viene preso in considerazione nel determinare le dimensioni, la forma e l'orientamento di ciascuna struttura in un metamateriale. Il lavoro teorico di Pendry e Li ha descritto come realizzare un mantello a banda larga utilizzando materiali strutturati in modo che abbiano una risposta elettrica alla luce, ma non magnetica. Ma non era chiaro come mettere in pratica questa idea. I ricercatori della Southeast University hanno sviluppato nuovi algoritmi per accelerare notevolmente il processo, afferma Smith. Questi algoritmi consentono di prevedere rapidamente come una struttura con una forma particolare interagirà con la luce.
Il mantello stesso, descritto questa settimana in Scienza , è davvero impressionante, afferma Fang, che sta lavorando su metamateriali per l'imaging biologico a super risoluzione. Ma la cosa più eccitante è che il nuovo approccio al design accelererà lo sviluppo di altri metamateriali. Smith dice che lui e il suo gruppo sono già andati oltre il mantello riportato in Scienza , ma poiché il loro ultimo lavoro è inedito, non può specificare cosa abbiano realizzato. Ora [che] questa sta diventando una tecnologia più fattibile, dice, inizieremo a vederne molte di più.
Altre applicazioni dei metamateriali, dice Smith, includono dispositivi ottici che prendono l'energia della luce e la concentrano, invece di allontanarla, concettualmente, l'opposto di un mantello. Potresti migliorare le celle solari creando strutture per aumentare l'intensità del campo della luce, dice. Il nuovo lavoro suggerisce che questo potrebbe essere fatto sull'intero spettro di lunghezze d'onda trovate nella luce solare. Allo stesso modo, le iperlenti a banda larga che raccolgono la luce persa dalle lenti normali potrebbero rivoluzionare l'imaging biologico. Fang e altri hanno sviluppato iperlenti a banda stretta con risoluzioni di pochi nanometri, che rendono visibile il funzionamento molecolare delle cellule. Un hyperlens a banda larga potrebbe funzionare con tutti i colori della luce visibile e infrarossa.
L'obiettivo finale, afferma Pendry, è occultarsi nello spettro della luce visibile e l'ultimo lavoro di Smith indica la strada da seguire. Non ci sono ostacoli insormontabili per far funzionare un mantello alle frequenze ottiche, dice Pendry. Il documento Duke avvicina ulteriormente questo obiettivo.