מרבד הקסמים וגלימת ההעלמות של הארי פוטר במדע

המטה-חומרים החדשים

מרבד הקסמים וגלימת ההעלמות של הארי פוטר במדע

“תמצאיני שם”,

אמר החתול, ונגוז.

עליזה לא נפתעה ביותר משום כך, שכן היטב כבר הסכינה עם התרחשותן של זרות ומוזרות. עוד היא מביטה למקום שם היה תחילה, חזר זה ונגלה פתאום.

היתה שיבת החתול כדרך הטבע. “שערתי שכך יהיה”, אמר החתול, וחזר ונגוז.

עליזה שהתה כמעא, ספק-צופה לראותו שוב, אלא שלא נגלה, וכעבור דקה או שתיים נשאה רגליה לעומת המקום בו היה ארנב האביב אמור לדור.

חתול הצ’שייר, אליס בארץ הפלאות

מבוא

מזה זמן מה מדענים עובדים על חומרים שהם מעין גלימות העלמות נוסח החתול צ’שייר. עתה הם מציעים מרבד קסמים שמעלים עצמים. לא מדובר במרבד הקסמים, השטיח המעופף בשמי המזרח ועלילות אלף לילה ולילה. אלא במרבד קסמים מסוג אחר. הכוונה היא למרבד קסם שמסתיר עצמים וגורם להם להיות רואים ולא נראים בדיוק כמו האיש הרואה והלא נראה של ה. ג’. וולס בסיפורו הנודע או כמו דני דין הרואה והלא נראה. המרבד מהונדס ברמה זעירה – רמת הננו. המרבד מסיליקון מסווה עצמים תוך שהוא גורם לשקערורית שמתחתיה מצוי העצם להראות שטוחה לחלוטין.

מרבד הקסמים החדש שהופך עצמים לבלתי נראים. האם אפשר להחביא מתחת יהלום או כסף מבלי שגנב אי פעם יוכל לגנוב אותו? עצם שמוחבא מתחת לגומחא נהפך לבלתי נראה…   

המרבד מורכב משכבה של סיליקון שמכסה מראה שטוחה מתחתיה (כפי שרואים באיור למעלה). לשכבת הסיליקון יש מעין בליטה או גבעה קטנה שמתחתה מסתירים את העצם. אבל הבליטה מהונדסת בצורה כזו שהאור ממשיך להיות מוחזר כרגיל, כך שניתן להסתיר עצם כלשהו בחלל שנוצר מתחת לגומחה. מדובר ברמות זעירות בתחום הננו. שכן הסיליקון הוא בעובה של 250 ננומטרים והמראה מורכבת מהקצה המתכתי של לוח הסיליקון. ואילו הגומחה היא חריץ בקצה לוח הסיליקון שמשרתת כמקום מחבוא. לוח הסיליקון בנוסף מחורר בחורים ברוחב של 110 ננומטרים כל אחד. יש אזורים בלוח שהם יותר מחוררים ויש אזורים שהם פחות מחוררים, ופירושו הוא: אם יש יותר חורים אינדקס השבירה נמוך יותר ואזורים עם פחות חורים אז אינדקס השבירה שלהם גבוה יותר ואז מהירות האור נמוכה יותר. החוכמה הייתה לבנות את תבנית החורים הזו בסיליקון שמעל לחריץ כדי לבנות את המטה-חומר המסווה, כך שהאור יוחזר כאילו הוא פגע במראה שטוחה ולא בגומחה קמורה. ואכן החוקרים הצליחו ליצור מצב שבו טווח הגלים באורך גל המתאים לזה שהוא כמעט קרוב לאור הנראה, אבל עדיין מעט רחוק מזה בספקטרום, כלומר האור האינפרא אדום, הוחזר מהקצה היכן שהיה החריץ ופוזר כאילו שמדובר במראה שטוחה. האתגר הבא הוא להנדס חומר שיגרום לטווח הגלים באור הנראה להיות מוחזרים כאילו שלא נמצא שם בכלל גוף… למרות שנמצא שם ומוסתר שם למעשה גוף. ואז נגיע לגלימת העלמות שתסתיר מפני העין האנושית עצמים ולדני דין הרואה והלא נראה…. מרבד הקסם הזה פותח על ידי שתי קבוצות של חוקרים שעוסקים במה שקרוי מטה-חומרים מסתירים, חומרים שמסווים גופים מפני האור הנראה, כך שהם נהפכים לרואים ולא נראים. או בהגדרה יותר מדויקת: חומרים שהמבנה הפנימי המורכב שלהם יכול לנווט את האור סביב הגופים, וכך להסוותם. קראו את הכתבה של חודש אפריל בדסקובר

 

מדענים יוצרים גלימת העלמות

 Daniel Radcliffe as Harry Potter using his invisibility cloak 

הארי פוטר בגלימת העלמות

אולי נתחיל ביפנים… הם פתחו את מעיל הגשם השקוף, שהוא יותר גימיק מאשר אב טיפוס מעשי לגלימת העלמות. ב-2003 פרופסור להנדסה בשם סיסומו טאצ’י מאוניברסיטת טוקיו הגה טריק באמצעותו הוא ישם טכנולוגיה ערמומית. הוא נטל מעיל גשם זוהר בצבע ירוק. המעיל שרת כמסך קולנוע שמציג דמויות ממצלמת וידאו שממוקמת מאחורי הלובש. מהזוית הנכונה ובנסיבות הנכונות, המעיל הזה נראה כרוח רפאים ללובש, ובניגוד גמור לקמופלאג’ המסורתי, הוא אפקטיבי כאשר הלובש או הרקע (אבל לא שניהם בו-זמנית) נעים

 

הטכניקה פועלת כך: מסרטת וידאו מסריטה את המתרחש מאחורי האדם. ישנו מקרן וידאו שמקבל את החומר המוסרט והוא ממוקם ממול לאדם עם מעיל הגשם הירוק. ואז מקרן הוידאו הזה מקרין את הסרט ישירות על המעיל הירוק של האדם – שמכוסה בגרגרים מחזירי אור והוא מתפקד כמו מסך קולנוע לכל דבר. כפי שרואים מקדימה, זה נראה כאילו האדם נהפך לשקוף, כאילו שהאור איכשהו עבר ישירות דרך גופו. טכניקה זו קרויה “קמופלאג’ אופטי”. למעשה לטכניקה הזו יש ישומים טכניים. כמו למשל, היא יכולה לסייע לנהגים לראות בשטחים מתים וכך למנוע תאונות. בנהיגה יש שטחים שאנחנו קוראים להם שטחים “מתים” ואנחנו לא רואים אותם וגורמים לנו לעשות תאונות מסוכנות. הטכנולוגיה הזו גורמת להעלמות המכשולים שמפריעים לנו לראות טובה של הכביש, כמו למשל דלתות, מראות וכדומה. נניח שהיום מה שאנו מכנים שטחים “מתים” נגרמים בגלל שהדלת של המכונית או המראה שלה מסתירות לנו את הראות בכביש. הטכנולוגיה החדשה הזו פשוט מוחקת או מעלימה את הדלת ואת המראה ופתאום אנחנו מגלים שהכביש נקי לחלוטין ואנחנו מקבלים ראות פנורמית ללא שטחים מתים.

 

(Image: Ars Electronica Festival 2008/Takumi Yoshida/Hideaki Nii/Naoki Kawakami/Susumu Tachi)
זוג של מצלמות סטריאו ממוקמות בצד של מראת הנהג והן מצלמות את הכביש והנוף שבדרך כלל מוסווה מהנהג על ידי הלוח של המכונית והחלקים של הדלת והמכונית. הנהג לובש מערכת שמקרינה את הפלט שצלמו המצלמות אל מסך ממול במכונית וכך הוא רואה מבט פנורמי של הדרך כאילו שהמכונית שלו הייתה שקופה, ללא המכשולים והשטחים המתים שמוסתרים על ידי אלמנטים ממכותניתו. 

המטה-חומרים – רקע המטה-חומרים הם חומרים מהונדסים שמקבלים את תכונותיהם הבלתי רגילות מגודלם או מצורתם, משינוי המבנה הפנימי שלהם ברמה זעירה, ולא מהכימיה שלהם – כפי שזה בטבע. בגלל הדרך שבה מרכיבים חומרים אלה, הם יכולים לערבל גלים – בין אם אלה הם גלי אור, או גלי מים או גלי קול (גלים אקוסטיים) – הרחק מהעצם שאותו הם מסווים. כדי להסוות משהו, הוצעה למשל הקונספציה הבאה: למקם טבעות קונצנטריות של מטה-חומר סביב לעצם שאותו רוצים להסוות. לולאות או גלילים זעירים בתוך הטבעות האלה מסיטים את הגלים האקוסטיים שבאים מסביב לעצם וכך מסווים אותו. ההסטה מונעת גם את ההחזרה וגם את הבליעה. הגלים נפגשים שוב פעם בצד השני וזאת כאילו שום דבר לא היה שם: Figure 2

טכנולוגיה זו למשל יכולה לאפשר לחובב מוזיקה קלאסית שיושב באולם קונצרטים מאחורי שורה ממוסכת לגמרי לשמוע מוזיקה בבירור בדיוק כמו אדם שיושב בנקודה שלא מפריעים לה. החומר הבלתי נראה הראשון תוכנן על ידי מהנדסים מאוניברסיטת דיוק  בצפון קרולינה ומאימפריאל קולג’ אשר בלונדון.  בהתחלה ג’ון פנדרי והקולגות שלו מאימפריאל קולג’ ואולף לאונהרדט מאוניברסיטת סנט אנדרוס בבריטניה דמיינו מה יקרה אם מותחים את החלל כך שקרני האור יעקבו מסביב לעצם ויצטרפו חזרה כאילו מעבר אליו וכך יהפכו את העצם לבלתי נראה. זה מזכיר במשהו את התעקמות המרחב-זמן מתורת היחסות הכללית, מעין מתיחת מרחב, או התעקמות המרחב…                                                                                       

ג’ון פנדרי מאימפריאל קולג’ בלונדון

  אולף לאונהרדט                                                             

כמובן שלא ניתן למתוח את החלל עצמו, ולכן פנדרי ולאונהרדט הראו כיצד ניתן למלא את החלל עצמו בחומר – במטה-חומר, הרכב של מוטות, טבעות וחתיכות אחרות של מתכת שיחד הם באינטראקציה עם האור כדי לתמרן אותו בצורות חדשות, לחקות מתיחה כזו של החלל.  חמישה חודשים מאוחר יותר, דיויד סמיט  והקולגות שלו מאוניברסיטת דיוק בדורהאם אשר בצפון קרולינה בנו מטה-חומר מסווה כזה. המטה-חומר הזה עבד באזור גלי המיקרוגל של הספקטרום האלקטרומגנטי. החומר המסווה פועל תוך שהוא מנווט את אור המיקרוגל מסביב לעצם, וכך הוא גורם לצופה לחשוב שהעצם לא היה שם בכלל. כאמור חומרים שמעקמים את האור בצורה הזאת לא קיימים בטבע ויש להנדס אותם כך שיהיו להם התכונות האופטיות האלה לעקם את האור בטווח גלי המיקרוגל בצורה הזאת. אבל החומר המסווה הזה עבד רק לטווח של גלי המיקרוגל.

המאמר שלהם: המטה-חומרים שהם חקרו היו מטה חומרים אלקטרומגנטיים.

פנדרי חושב על הרעיון כיצד לגרום לעצם להיות בלתי נראה:   חמישה חודשים מאוחר יותר דיויד סמיט מגיע למטה-חומרים שמיישמים זאת: ראו המאמר הבא.

מאז עובדים על חיפוש אחר מטה-חומרים ישימים לספקטרום רחב יותר של גלים אלקטרומגנטיים, ועובדים על כך בעיקר הקבוצה מברקלי, בראשות קסיאנג זאנג – מהמעבדה לחומרים והמנהל של המרכז למדע והנדסה ברמת ננו מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי.  

באוגוסט 2008 הקבוצה גלתה מטה-חומרים תלת-ממדיים שהופכים את הכיוון הטבעי של האור הנראה והאור הקרוב לאינפרא אדום. המטה-חומר הזה משנה את האופן שבו האור בדרך כלל מתנהג. הרעיון הוא לעקם את האור אחורנית ולהשיג מקדם שבירה שלילי. זאת בעוד שלחומרים רגילים שמוצאים אותם בטבע יש מקדם שבירה חיובי. הקבוצה פרסמה את הממצאים ב-נייצ’ר וב-סייאנס. כבר בתחילת 2001 חשבו על התוצאות של מקדם שבירה שלילי ועל חומרים מהונדסים בעלי מקדם שבירה שלילי. להלן

מקדם שבירה הוא המידה לכמה הגלים האלקטרומגנטיים מתעקמים בעודם נעים מטווח אחד לשני. בשבירה רגילה במים הדג מופיע מעוקם כלפי פני המים, ואילו בשבירה שלילית הוא מופיע מעל פני המים (ראו איור מימין): null

אפקט מעניין אחד של מקדםס שבירה שלילי הוא ששבירות נוטות לנוע בכיוון ההפוך ממה שמצפים כאשר מזיזים או מסובבים את הגוף השובר, כמו כאן: לגבי האור: בתדירויות אופטיות האור הוא החל מ-400 ננומטר (אור סגול) ועד 700 ננומטר (אור אדום) ואילו האור האינפרא-אדום נמדד החל מ-750 ננומטר ועד ל-1 מילימטר. רק לשם השוואה שערה אנושית היא בערך בקוטר של 100,000 ננומטר. כדי שמטה-חומר ישיג שבירה שלילית, המערך שלו צריך להיות קטן יותר מאורך הגל האלקטרומגנטי שבו משתמשים. לכן הייתה יותר הצלחה בפס המיקרוגל שנמדד בין אורך של 1 מילימטר ועד 30 סנטימטר. החוקרים שמו יחד זה בין זה שכבות של כסף ומגנזיום פלורידי לא מוליך והם עיצבו את השכבות בצורת רשת דייגים בגודל ננומטרי. להלן (מימין יצוג סכמטי ומשמאל תמונה ממיקרוסקופ אלקטרוני סורק):

positive IOR negative IOR

                               מקדם שבירה חיובי                                         מקדם שבירה שלילי

 null null

בטווח של אורכי גל של 1500 ננומטרים, קרוב לטווח האור האינפרא-אדום הקרוב, החוקרים מדדו אינדקס שבירה שלילי. פירושו של דבר, שקרוב לטווח זה המטה-חומרים תפקדו כגלימת העלמות. המאמר ב-נייצ’ר המאמר מ-סייאנס:

מרבד הקסמים מסיליקון הקבוצה מברקלי למעלה היא גם אחת משתי הקבוצות שהגיעה עתה למרבד המסווה את העצם מתחתיו כך שיהיה בלתי נראה; לגילוי זה הם הגיעו באופן בלתי תלוי עם הקבוצה השנייה בראשות מיכל ליפסון מאוניברסיטת קורנל בניו יורק.

 

מיכל ליפסון המאמר של מיכל ליפסון וקבוצתה: 

שתי הקבוצות יצרו בצורה נפרדת זו מזו גרסאות מעט שונות למרבד הקסם מסיליקון – מרבד מסווה מסיליקון ברמת ננו שמסווה את הנוכחות של עצמים שמונחים מתחתיו מגילוי אופטי. בעוד שניתן עדין לראות את המרבד, הבליטה של העצם מתחת לשטיח נעלמת. כאשר מקרינים קרן אור על הבליטה זה נראה כאילו הקרנו חזרה ממשטח שטוח לגמרי. ופירושו של דבר שהעצם עצמו למעשה נהפך לבלתי נראה.

קסיאנג זאנג (Photo by Roy Kaltschmidt, Berkeley Lab Public Affairs)

Never mind Harry Potter, researchers at Berkeley have made an invisibility cloak of their own

ראו המאמר הבא שפורסם בנייצ’ר.

בשני התכנונים, העיקרון של הפיכת העצם לבלתי נראה הוא על ידי מרבד סיליקון בעובי של 250 ננו-מטרים מחורר כולו בחורים – כל חור ברוחב של 110 ננומטרים (הקבוצה של זאנג) ועמודות – כל עמודה ברוחב של 50 ננומטרים (הקבוצה של ליפסון). תבנית החורים בלוח הסיליקון בחריץ (בגומחה) שמסתירה את העצם וגורמת לקרני האור להיות מוחזרות כאילו שאין כלום מתחת לגומחה ולמעשה מדובר במראה ישרה. החורים או העמודות נועדו לשנות את שבירת האור בצורה הדרגתית בעודו עובר דרך הסיליקון כמו מים שזורמים סביב סלעים. הסיליקון של זאנג פועל עבור אור בטווח של אורכי גל בין 1400 ל-1800 ננומטרים, שזה קרוב לטווח האינפרא-אדום של הספקטרום האלקטרומגנטי – מעט ארוך יותר מהאור שניתן לראותו על ידי העין האנושית. בעוד שזה של ליפסון פועל באורכי גל נמוכים מעט יותר בקצה התחתון, החל מ-1000 ננומטרים. אבל לאור הנראה יש אורכי גל של בין 400 ל-700 ננומטרים. כלומר, אומר זאנג, אנחנו קרובים ליצור חומר שיגרום לעצמים להיות לגמרי בלתי נראים לעין האנושית הרגילה. בניסוי זה המרבד פועל מצוין בשני ממדים ברמת הננו. ולכן יש לו יישומים לתעשיית המוליכים למחצה ולמיקרוסקופיה האופטית.

זאנג וקבוצתו פרסמו מאמר על מחקרם בכתב העת נייצ’ר מטריאלס.

התמונות הן מתוך המחקר של זאנג וקבוצתו מכתב העת זה:

בניסויים ב-נייצ’ר מטריאלס החומר המסווה, או המרבד מכיל בקצהו שטח בליטה בגודל של 3.8 מיקרונים על 400 ננומטרים. ניתן לתחוב את העצם מאחורי הבליטה הזאת מבלי שהוא יראה, כאשר טכניקה אופטית משתקפת גורמת לבליטה להראות שטוחה לגמרי. הטכניקה משתמשת בקרני אור אינפרא-אדומות שמוקרנות על גבי הבליטה והן מעוקמות על ידי החומר הסובב, מה שגורם לקרינה החוזרת מהבליטה להראות כאילו שהיא חזרה ממראה שטוחה לגמרי ולא ממראה בעלת בליטה. בצורה הזו על ידי זה שהקרינה שבה חזרה לכאורה ממראה שטוחה לגמרי ולא מכזו קמורה, הבליטה מוסווית לגמרי.   

שמאל: האזור המסווה מסומן בירוק והוא מונח מתחת לבליטה המחזירה (המרבד) והוא יכול להסוות כל עצם שרירותי. החומר המסווה יהפוך את צורת הבליטה חזרה למעשה לצורה של עצם שטוח. ימין: תמונה שנלקחה במיקרוסקופ אלקטרוני סורק של המרבד.   בגלל שהסיליקון בולע את האור הנראה, יצטרכו להשתמש בחומר שונה כדי לרמות את העין האנושית וכאשר מדובר בתלת-ממד. מה אם כן יעילותו של מרבד הקסמים מסיליקון? נראה שיעילותו היא בתעשיית שבבי המוליכים למחצה באלקטרוניקה ובמחשוב האופטי. ניתן להשתמש במרבד הקסם מסיליקון הזה כדי לתמרן את האור ברמת הננו בצ’יפים מסיליקון, כאשר אנחנו נמנעים ממכשולים שבדרך כלל מפזרים אור. המרבד מסיליקון יכול לשמש בנוסף כדי להסתיר דפקטים במסכות ליטוגרפיה שמשמשות כדי לחרוט מעגלים מודפסים אל תוך צ’יפ סיליקון.

תארו לכם שהנכם הולכים ברחוב ורואים מרבד עם גבעה או בליטה שהיא לפתע נעלמת לחלוטין… והנה כפי שכבר נאמר בדיסקובר ישנה הבעיה הקטנה שנותרה לה בעינה… ישנה המגבלה האחת העיקרית של גלימת ההעילמות נוסח מרבד הקסמים, שכל אחד שמסתתר לו בפנים מתחת לגומחה לא יוכל לראות מה נעשה בעולם מבחוץ. זאת בדיוק מאותה הסיבה שצופה מבחוץ לא יוכל לראות אותו מבפנים. כלומר, אם אני לא יכולה לראות את מי שמסתתר מתחת לגומחה שבמרבד ההעלמות, מדוע שהוא יוכל לראותני? הוא צריך לחתוך את המסיכה, ואז הוא יוכל ללכת הישר דרך הקיר ולרוץ לרכבת הישנה הויקטוריאנית ישר אל בית הספר לקוסמים הוגווארטס בדיוק כמו הארי פוטר בתחנת הרכבת בלונדון מבלי שאיש בתחנה יראה אותו

כאן בקינגס קרוס הארי פוטר (ורבים אחרים שניסו את מזלם בעקבותיו…) קפץ דרך ה(מטה?) קיר כדי לעלות לרכבת הישר להוגוורטס. (מתוך האתרים בלונדון תיור הארי פוטר )

  Some Day Soon...

יום אחד אולי נוכל לשכב בגינה ולנוח וככה נראה… כי האור יעשה “יו טרן” וישוב כלעומת שבא מכסא הנוח בגינה עליו נשב. 

ראו כאן. אבל עד אז כרגע מטה-חומר מסווה תלת-ממדי מעין גלימת קסמים שלמעשה תהפוך חומר לבלתי נראה – דמוי סיפורי הארי פוטר או דני דין הרואה ולא נראה – נראה עדיין כפנטזיה בשלב זה…

Advertisements

2 thoughts on “מרבד הקסמים וגלימת ההעלמות של הארי פוטר במדע

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s