Φλερτάροντας με την αορατότητα

Τον προηγούμενο Οκτώβριο, επιστήμονες στο Duke παρουσίασαν μια συσκευή σε μορφή δακτυλίου η οποία μπορούσε να κρύβει οτιδήποτε τοποθετούσαν στο εσωτερικό του. Δυστυχώς λειτουργεί μόνο για μικροκύματα.

Στο πείραμα, μία ακτίνα μικροκύματος χωριζόταν στα δύο καθώς έρεε διαμέσου αυτού του ειδικά σχεδιασμένου δακτυλίου κι έπειτα, σχεδόν χωρίς να είναι ορατό, επέστρεφε στην αρχική μορφή της, στην άλλη πλευρά του δακτυλίου. Αυτό σημαίνει πως ένα πιθανά τοποθετημένο αντικείμενο στο κέντρο του δακτυλίου, θα ήταν εντελώς αόρατο. Καμία ακτίνα δεν άλλαζε πορεία, ούτε γινόταν ανάκλαση προς το περιβάλλον. Οποιοσδήποτε κοιτούσε αυτή τη συσκευή, το μόνο που θα έβλεπε, θα ήταν ότι υπήρχε πίσω της.
Ο μανδύας δεν ήταν τέλειος. Ένας εξωγήινος με όραση μικροκυμάτων δεν θα έβλεπε το αντικείμενο, αλλά θα παρατηρούσε κάτι παράξενο. “Θα έβλεπες ένα σκουρόχρωμο σημάδι” είπε ο David R. Smith, καθηγητής ηλεκτρολόγος μηχανικός και μηχανικός ηλεκτρονικών υπολογιστών στο Duke. “Θα έβλεπες κάποιου είδους αλλοίωση, και θα έβλεπες κάποιου είδους σκιά και ανάκλαση.”

Ένας μεγαλύτερος περιορισμός ήταν ότι αυτή η συσκευή λειτούργησε για ένα συγκεκριμένο “χρώμα” ή διαφορετικά, μήκη κύματος της ακτινοβολίας των μικροκυμάτων, περιορίζοντας την αξία του για να κρύβει πράγματα. Για τη δημιουργία ενός μανδύα ο οποίος θα μπορεί να καμπυλώσει μήκη κύματος ορατού φωτός ή θα λειτουργεί για ποικιλία χρωμάτων απαιτείται ακόμα πολλή έρευνα και θα περάσει αρκετός καιρός μέχρι να δούμε κάτι αντίστοιχο να παρουσιάζεται, αν φυσικά υπάρχει.

Παρ’ όλα αυτά, η επίδειξη μας έδειξε τη νέα ικανότητα που απέκτησαν οι επιστήμονες στο να μπορούν να ελέγχουν το φως μέσα από δομές που ονομάζονται: “metamaterials.”(εξελιγμένα υλικά)

Προφανώς, ο στρατός θα ενδιαφερόταν για κάποιο υλικό το οποίο θα χρησιμοποιούνταν για να κρύβει τα οχήματα και τον εξοπλισμό τους. Αλλά αυτά τα υλικά θα μπορούσαν επίσης να είναι χρήσιμα σε νέους τύπους μικροσκοπίων. Μέχρι στιγμής, οι επιστήμονες έχουν καταγράψει τις εξισώσεις που έχουν προκύψει από εξομοιώσεις σε υπολογιστές και έχουν διεξάγει κάποια πειράματα σε πρώιμη μορφή, όπως αυτό στο Duke. Ακόμα όμως δεν έχουν ανακαλύψει τους πρακτικούς περιορισμούς του πόσο μπορούν να καμπυλώνουν το φως, ανάλογα με την ανάγκη τους.

Γενικά αυτή η μέθοδος δεν είναι “μαγική”, ούτε και τα υλικά με τα οποία φτιάχνονται οι διατάξεις του μανδύα. Οι Φυσικοί χρησιμοποιούν συνηθισμένα υλικά, όπως το fiberglass και τις γνώσεις τους έτσι ώστε να φτιάξουν “metamaterials” που μοιάζουν με μωσαϊκά από επαναλαμβανόμενα κυβάκια. Αυτές οι διατάξεις αλληλεπιδρούν με τα ηλεκτρικά και τα μαγνητικά πεδία στα φωτεινά κύματα ελέγχοντας μια ποσότητα που είναι γνωστή ως “δείκτης διάθλασης” έτσι ώστε να καμπυλώνει το φως, με τρόπο τέτοιο ώστε κανένα φυσικό υλικό δεν μπορεί να πετύχει.

“Υπάρχουν μερικά πράγματα που η Χημεία δεν μπορεί να κάνει από μόνη της” είπε ο John B. Pendry, ένας φυσικός του βασιλικού κολεγίου του Λονδίνου. “Η ελαστική σχεδίαση, η διάταξη τέτοιων συσκευών καθώς και η χημεία, μας δίνει τη δυνατότητα να φτάσουμε σε ιδιότητες υλικών που μέχρι πρόσφατα δεν μπορούσαμε”

Όταν μια ακτίνα περνάει τα όρια αέρα-νερού, γυαλιού-αέρα ή οποιοδήποτε άλλο συνδυασμό διαφανούς υλικού, καμπυλώνει και ο βαθμός της αλλαγής αυτής καθορίζεται από το δείκτη διάθλασης.

Ο αέρας έχει δείκτη με τιμή 1. Το νερό έχει δείκτη με τιμή περίπου 1.3. Αυτός είναι και ο λόγος που το ελαφρά κυματιζόμενο νερό αλλοιώνει τον πυθμένα της λίμνης(φαινομενικά) για κάποιον που την παρατηρεί. Είναι η διάθλαση του φωτός που κάνει ένα μισοβυθισμένο μικρό κλωναράκι να γέρνει κατά πολύ ξεκινώντας από την επιφάνεια του νερού αν συγκρίνουμε τα δύο μέρη του(μέσα στο νερό κι έξω) ή το γεγονός ότι τα ψάρια για έναν παρατηρητή φαίνονται να κολυμπούν πιο κοντά από τη πραγματική τους θέση.

Τα διαμάντια έχουν δείκτη διάθλασης με τιμή 2.4, γεγονός που τους προσδίδει την υπέροχη και εκθαμβωτική τους λάμψη.

Για το ορατό φως, τα διαφανή υλικά όπως το γυαλί, το νερό και το διαμάντι έχουν όλα τους τιμή δείκτη 1 και άνω, πράγμα που σημαίνει πως όταν το φως εισέρχεται, η ακτίνες του αλλάζουν πορεία και στρέφονται προς μια κατακόρυφη νοητή ευθεία. Επειδή ο δείκτης είναι η ταυτότητα ενός υλικού, η καμπύλωση παρατηρείται μόνο όταν το φως περνάει το όριο δύο υλικών.

Αντίθετα, με τα “metamaterials”, οι επιστήμονες μπορούν να δημιουργήσουν υλικά με δείκτες με τιμές από 0 μέχρι 1. Στη συσκευή καμπύλωσης μικροκυμάτων του Duke, ο δείκτης έπαιρνε τιμές από 0 στην εσωτερική επιφάνεια μέχρι 1 στην εξωτερική επιφάνεια του δακτυλίου. Αυτό οδήγησε το “μονοπάτι’ του φωτός να αλλάξει πορεία όχι μόνο στα όρια των δύο υλικών αλλά στο εσωτερικό του “metamaterial”.

Τα “metamaterials” αρχικά μελετήθηκαν από τους επιστήμονες για αρκετά χρόνια του παρελθόντος όταν υπήρχαν ιδέες σε πρώιμη μορφή ότι ο δείκτης διάθλασης όχι μόνο μπορεί να είναι μικρότερος από την τιμή 1 μέχρι 0, αλλά θα μπορούσε να πάρει τιμές μικρότερες του μηδενός, δηλαδή αρνητικές. Όταν το φως έμπαινε μέσα σε ένα τέτοιο υλικό, θα έπαιρνε μια απότομη κλίση, σχεδόν σαν να είχε μεταπηδήσει από ένα αόρατο καθρέφτη και είχε περάσει το όριο δύο υλικών.