Metamaterijali >

Kapa nevidimka i druge refleksije

slobodan bubnjević

Tokom ove godine fizičari sa nekoliko američkih i britanskih univerziteta objavili su više radova o osobinama metamaterijala i zračenja u oblasti mikrotalasa, a onda je izveden i prvi uspešan eksperiment u kome je predmet od nekoliko centimetara postao nevidljiv. Da li dolazi doba u kome nevidljivost neće biti samo tema bajki i SF romana

"Stranac je stigao rano jednog ledenog dana u februaru, probijajući se kroz oštar vetar i jak sneg, kroz poslednju snežnu mećavu te godine", napisao je pripovedač Herbet Dž. Vels, opisujući kako je student medicine Grifin, umotan u bele zavoje, stigao u seosku krčmu "Konji i kočije" u Zapadnom Saseksu u Engleskoj. Ovom scenom Vels je počeo čuveni naučnofantastični roman Nevidljivi čovek koji je u nastavcima prvi put objavljen 1897. godine u časopisu "Pirsons magazin".

Punih 110 godina pošto je u selo Iping došao Velsov opskurni izumitelj formule koja izaziva negativan indeks prelamanja, sve slične ideje za postizanje nevidljivosti bile su samo u domenu SF literature, stripova i filmova, ostajući daleko od skoro svih frontova moderne fizike. A onda se, uporedo sa novim rezultatima vodećih fizičkih istraživanja, kao što su dostignuća sa kvantnom enkripcijom, nanočesticama i superprovodnim materijalima, pre tri nedelje u svim naučnim časopisima pojavila i vest o jednom uspelom eksperimentu sa – nevidljivim plaštom.

Kako bi skrenuli svetlosne zrake i učinili objekt nevidljivim, fizičari na Univerzitetu Djuk u Severnoj Karolini u SAD koristili su materijal specijalne strukture, nazvan metamaterijal (vidi okvir). Kada je on osvetljen zračenjem u mikrotalasnom delu spektra, postao je nevidljiv za ovo zračenje zato što ga nije apsorbovao ili reflektovao, već ga je skrenuo oko svoje površine.

AJNŠTAJN I MAKSVEL: Tela se vide zato što se svetlost odbija od njih, tako da oko posmatrača prima reflektovane zrake. Sve ranije ideje o nevidljivosti podrazumevale su neku vrstu sprečavanja refleksije. Međutim, nevidljivost je postala praktično moguća tek kad su se fizičari dosetili da skrenu svetlosni zrak tako da se vidi samo ono što je iza predmeta. Sličan koncept postoji u Opštoj teoriji relativnosti Alberta Ajnštajna po kojoj svetlost skreće u blizini gravitacionog polja, ali ovde se taj efekat postiže korišćenjem običnih Maksvelovih jednačina koje opisuju kretanje elektromagnetnih talasa. Ovaj relativno jednostavan koncept skretanja svetlosti oko naročito dizajnirane kloake najednom je zaokupio fizičare u mnogim svetskim laboratorijama.

Tokom ove godine objavljeno je više radova koji su teorijski razmatrali upotrebu svetlosnih kloaka i metamaterijala. Do sličnih ideja sa skretanjem svetlosti došli su u prvoj polovini godine i fizičari Ulf Leonard i Tomas Filbin sa Univerzitea "Sent Endrju" u Velikoj Britaniji. Nekoliko meseci ranije, u januaru, jedan fizičar u Rusiji došao je do sličnih zaključaka. Prema izveštaju "Mosnjuza", profesor Oleg Gadomski sa Univerziteta u Uljanovsku smislio je metod "konverzije optičke radijacije".

Ako u blizini nema jakih gravitacionih polja, vidljiva svetlost, mikrotalasno zračenje i svi drugi elektromagnetni talasi prostiru se uvek po pravoj liniji, a kada naiđu na prepreku, oni mogu da se reflektuju, delimično propuste ili apsorbuju. Svetlost nikada prirodno neće zaobići neko telo kao voda kad naiđe na prepreku. Osnovna ideja upotrebe metamaterijala je da se svetlost primora da zaobilazi objekat, kao voda kad naiđe na kamen.

U eksperimentu na Univerzitetu Djuk korišćen je cilindrični instrument prečnika šest centimetara, obložen bakarnim cilindrom kao nevidljivim plaštom. Instrument je osvetljen mikrotalasnim impulsom od 10 GHz. Cilindar je apsorbovao mali deo mikrotalasnog zračenja, ali su u njegovoj blizini zraci zakrivljeni, a potom ispravljeni.

"Upotrebom složenih osobina metamaterijala, uspeli smo da objekat učinimo nevidljivim, tako da izgleda skoro kao da je svetlost prošla kroz prazan prostor", rekao je doktor Dejvid Smit, profesor električnog i kompjuterskog inženjeringa na Univerzitetu Djuk, koji je rukovodio ovim istraživanjem. U projektu je učestvovalo više fizičara, a osnovna ideja upotrebe metamaterijala na ovaj način potekla je od britanskog fizičara Džona Pendrija sa Imperijal koledža u Londonu, koji je rad o nevidljivom plaštu objavio u maju 2006. godine i koji je sarađivao na projektu.

MIKROTALASI: Razne su mogućnosti za primenu nevidljivosti. Za ova istraživanja poslovično je najviše zainteresovana vojna industrija. Sve do sada, vojne laboratorije su prednjačile u ovoj oblasti, ali je njihovo najveće dostignuće bilo takozvana stelt tehnologija, kojom je zbog smanjenja refleksije smanjivana vidljivost aviona na radaru.

Kloaka poput ove koja je načinjena na Univerzitetu Djuk koristi mikrotalase kao kod radarskih sistema pa će verovatno pobuditi silno interesovanje vojnih vlasti.

Cilindrični oblik objekta korišćen u ovom eksperimentu uslovio je da se svetlost rasipa samo u dve dimenzije. To znači da je predmet bio nevidljiv samo kad se posmatra iz jedne ravni, što se pokazalo uspešnim, ali naučnike zanima složenija geometrija. Istraživači trenutno razvijaju sferni uređaj koji se iz svih pravaca neće videti.

"Primena ovog otkrića još dugo neće biti onakva kakvom ljudi mogu da je zamišljaju, kao nevidljivi plašt Harija Potera ili uređaj za nevidljivost u seriji ‘Zvezdane staze’", rekao je doktor Dejvid Smit. Najveće interesovanje postoji za razvoj ovog instrumenta tako da on funkcioniše ne samo u uskom mikrotalasnom delu elektromagnetnog spektra, već pre svega u onom delu koji predstavlja vidljivu svetlost.

Da bi objekti postali nevidljivi i za vidljivi deo spektra, teorijski se može koristiti ista ideja, ali su za takve eksperimente potrebne mnogo delikatnije strukture metamaterijala. Unutrašnja struktura metamaterijala mora biti takva da veličine pojedinih rezonatora u njemu budu manje od talasne dužine svetlosti kojom se metamaterijal osvetljava. Mikrotalasi koji su trenutno korišćeni imaju velike talasne dužine – reda nekoliko centimetara. Lako je manipulisati elektronskim elelementima u materijalima kada su oni veliki između milimetra i centimetra. Međutim, vidljiva svetlost ima više od hiljadu puta manje talasne dužine, između 300 i 750 nanometara, tako da se moraju koristiti nanočestice, što će strukturu i manipulaciju metamaterijalima učiniti mnogo složenijom.

SLEPILO: Da bi uređaj bio nevidljiv za ljudsko oko, to zahteva i mnoga druga poboljšanja. Nije dovoljno da radi monohromatski, samo na jednoj talasnoj dužini to jest boji, već na svim istovremeno. Naučnici procenjuju da će se na primenu čekati bar još deset godina, ali je eksperiment na Univerzitetu Djuk pokazao da je postizanje nevidljivosti moguće. Kako se uobičajeno kaže klišeu, kuda to sve vodi – još ćemo videti. Ili nećemo, u čemu i jeste poenta.

No, već sad je izvesno da nastavak ove vrste istraživanja otvara i neke etičke dileme za naučnike. Nevidljiva oružja bi postala zastrašujuća pretnja i nemoguće je predvideti kakve bi bile njihove političke posledice. Pretnje od nevidljivih bombi koje se ne bi mogle pronaći vizuelno, niti upotrebom bilo kakvih optičkih i elektronskih detektora, podigle bi strah od terorističkih napada do nivoa sveopšte paranoje. Nevidljivi plašt bi se bez sumnje koristio i za sve oblike špijunaže, od državne do poslovne, za voajerska snimanja, pornografiju i ko zna kakve sve oblike nevidljivog kriminala.

S druge strane, posebno je zanimljivo što bi neka eventualna nevidljiva osoba morala biti – potpuno slepa. Prema fizičkim zakonima, bez obzira na tehnološko rešenje, nevidljiv može biti samo onaj predmet koji ne apsorbuje i ne reflektuje svetlost. To istovremeno znači da svetlost neće uopšte stizati do nevidljivog čoveka, tako da će on biti u potpunom mraku.

U naučnofantastičnim pričama uobičajeno je da se nevidljivost plaća visokom cenom, jakim bolovima, usamljenošću, nevidljivi čovek želi da se vrati normalnom životu. "Bio je umotan u zavoje od glave do pete, a traka od mekog filca prekrivala je svaki inč njegovog lica, čak i sam vrh nosa", opisao je H. Dž. Vels mladog Grifina koji se suočio sa svim tim nevoljama. Uz to, Velsov nevidljivi čovek je bio nervno nestabilan i sasvim lud, do kraja romana on pokušava da uspostavi vladavinu terora, što nagoveštava negativne efekte koje bi i moderni metamaterijali mogli imati. Najzanimljiviji je ipak Grifinov problem sa hladnoćom. Nevidljivo mu je bilo samo telo, ali ne i odeća, a usred zime nije mogao da luta unaokolo sasvim go. Ovo bi mogao da bude ozbiljan problem ne samo za Grifina, već i za održavanje temperature moderne nevidljive kloake jer ako ga budu obilazili svi elektromagnetni zraci, ovaj instrument neće moći da primi ni energiju toplotnog zračenja. Pitanje je da li će u međuvremenu emitovati toplotu.


 

Transformaciona optika

U eksperimentu na Univerzitetu Djuk u SAD korišćen je mali cilindar sa deset koncentričnih prstenova, gde se svaki sastojao od tri rezonatora. Metamaterijal od ovih rezonatora, nazvanih SSR (split-ring resonator), bio je načinjen od tankih bakarnih traka. Promenom veličine, oblika i prostornog rasporeda ovih rezonatora, naučnici mogu da unapred podese optičke karakteristike na svakoj tački površine cilindra. Zbog različite električne propustljivosti i magnetne permeabilnosti, svetlost menja kretanje od tačke do tačke i tako skreće oko cilindra, kao što voda protiče oko kamena. Ova nova tehnologija koja omogućuje nevidljivost nazvana je transformaciona optika. Više detalja o samom eksperimentu može se naći na www.duke.edu, gde se može pogledati i film u kome bakarni cilindar nestaje u laboratoriji.


POŠALJI KOMENTAR REDAKCIJI ODŠTAMPAJ TEKST