גלימת ההעלמות של הארי פוטר מתקדמת לתחום הנראה

גלימת ההעלמות של הארי פוטר מתקדמת לתחום הנראה

המטא-חומרים משמשים בין היתר להסוואה ולהעלמות. קבוצה מהמכון הטכנולוגי בקליפורניה, הקלטק, הנדסה מטא-חומר מלאכותי בעל מקדם שבירה שלילי שמגיב לאור הנראה. הקבוצה תארה את התגלית במכתב שפורסם ב-18 לאפרילבכתב העת Nature Materials. החוקרים הנדסו חומר שניתן לכוון בו את תגובת מקדם השבירה השלילי: על ידי זה שמשנים את החומרים בהם משתמשים או את הגיאומטריה של הרכיבים בתוך המטא-חומר, המטא-חומר מכוון להגיב לאורך גל שונה של האור, שבא כמעט מכל זווית ובכל קיטוב. הקבוצה כוונה את המטא-חומר כך שיגיב לאור הכחול בספקטרום האור הנראה, מה שהפך אותו למטא-חומר הראשון שפועל בתדירויות נראות.

מטא-חומרים

מטא-חומרים הם חומרים שתכונותיהם המתוכננות נובעות מהמבנה שלהם ולא מתכונות החומר או הרכבם הכימי. המטא-חומרים מכילים מבנים שהם קטנים מאורך הגל האלקטרומגנטי.

בתחילת עידן המטא-חומרים, הודגמו מטא-חומרים עבור מיקרוגלים ואחר כך שכללו את החומרים האלה בטכנולוגית ננופבריקציה. התכונות האופטיות שלהם מעוצבות, ברמת תת-אורכי הגל, על ידי האינטראקציה בין שכבות של מבנים יחד עם השדות החשמליים והמגנטים שיוצרים את גלי האור. בגלל שהמבנים הפנימיים שלהם הם שונים בתכלית מחומרים קונבנציונאליים, התכונות האופטיות שלהם יכולות להיות גם כן שונות בתכלית. המטא-חומר החדש של החוקרים מהקלטק זקוק רק לשכבת מבנה אחת והוא מטא-חומר בעל מקדם שבירה שלילי.

Negative-index materials  – חומרים בעלי מקדם שבירה שלילי

המחשבה על המטא-חומרים החלה כאשר חשבו על חומרים בעלי מקדם שבירה שלילי. באופטיקה מקדם השבירה n הוא תכונה יסודית של החומר. מהנדסים אופטיים חושבים על מקדם השבירה כעל היחס שבין מהירות האור בואקום למהירות האור בחומר. אבל הפיזיקה שעומדת בבסיס היחס הזה, בתורה האלקטרומגנטית, פירושה שמקדם השבירה n הוא למעשה שווה לשורש של הפרמיטיביותε  כפול הפרמיאביליות המגנטית µ: .n = ±√εµ בואקום שתי הכמויות האלה מוגדרות כ-1 ולכן מקדם השבירה בואקום הוא 1.

הפרמיטיביות קשורה לקבוע הדיאלקטרי. לחומרים אופטיים דיאלקטריים שקופים קונבנציונאליים, כמו למשל זכוכית או מים, יש פרמיטיביות ופרמיאביליות חיוביות, ולכן מקדם השבירה שלהם הוא חיובי. באורכי גל נראים, מוליכים, כסף וזהב, הם בעלי פרמיטיביות שלילית ופרמיאביליות חיובית. לכן חומרים אלה הם אטומים ולא שקופים – והם בעלי מקדם שבירה מדומה (מבחינה מתמטית).

שום חומר טבעי הוא לא בעל ערכים שליליים של שתי הכמויות ולא בעל מקדם שבירה שלילי. לפני כעשור ג’ון פנדרי מהאימפריאל קולג’ אשר בלונדון, אנגליה, הראה, שניתן להנדס מטא-חומרים המורכבים ממוליכים ומתוכננים לגרום לכך שהפרמיטיביות והפרמיאבליות שלהם תהיה שלילית באורכי גל מספיק גדולים. גודל מקדם השבירה תלוי בתדירות. לאחר מספר הדגמות באשר ליכולת של המטא-חומרים בתדירויות רדיו, הצליחו לשכלל את המטא-חומר כך שיפעל בתדירויות גבוהות יותר במיקרוגל וגם בתדירויות האינפרא-אדום, ולבסוף עתה בקלטק הגיעו לתדירויות אופטיות.

מטא-חומרים בעלי מקדם שבירה שלילי הם מוזרים

התברר שלחומרים בעלי מקדם שבירה שלילי יש תכונות מוזרות. לפי חוק סנל הם מעקמים את האור אחורנית ושבירה אחורנית יוצרת אפקטים מוזרים. פירושו שהגלים בחומר בעל מקדם השבירה השלילי נעים בכיוון ההפוך.

אחת התכונות המוזרות שנתגלתה במטא-חומרים היא יכולתם לתפקד כחומרי הסוואה, כגלימת העלמות מסתירה, שגורמת לעצם המוסתר להיות בלתי נראה. המטא-חומר מסיט את האור סביב העצם שבמרכזו. חזית הגל שמגיעה לצופה נראית כאילו היא מגיעה הישר דרך העצם המוסתר והעצם נראה כאילו הוא לא היה שם כלל.

החומר המסתיר הראשון שנבדק במעבדה היה כזה שפעל בתדירויות המיקרוגל. בניסויים, החביאו גוף בתוך חומר מסתיר שנבנה ממטא-חומרים מלאכותיים (קליפה מסתירה). אולם נצפו השתקפויות וצללים של הגוף המוסתר. וכך אומנם הגוף הוסתר, ושום מקור חיצוני לא יכל לגלותו, אך הגוף גילה עצמו באמצעות רמזים.

אופציה שנייה הייתה מרבד הסתרה והוא הסווה כל עצם תחת חומר העשוי ממטא-חומר. כל עצם שמוסתר תחת המרבד לכאורה נעלם והמרבד מופיע כגיליון מוליך שטוח. לכן לא ניתן לגלות את העצם על ידי שום מקור חיצוני. ניתן לממש את מרבד ההסתרה בצורה קלה יותר מאשר את הקליפה המסתירה שבדוגמא הקודמת. מרבד ההסתרה הודגם גם כן בתדירויות המיקרוגל והוא מפגין ביצועים טובים בתחום הבלתי נראה. אולם יש לו שתי מגבלות עיקריות: התמודדות עם הרקע והגודל של המרבד.

למטא-חומרים יש יישומים רבים נוספים, כמו למשל, עדשות-על, עדשות שעוברות את גבות העקיפה. העקיפה קובעת את גבול הביצועים העליון שאליו יכולה להגיע מערכת המנתבת גלים. גבול העקיפה מגביל את עוצמת הריכוז של עדשות קונבנציונאליות.

מטא-חומרים בעלי מקדם שבירה שלילי ופלסמוניקה

ישנו תחום חשוב שקשור בהנדסת המטא-חומרים, הפלסמוניקה.

האלקטרונים במתכות קשורים בצורה רופפת לאטומי המתכת, כך שהם יכולים לנוע בחופשיות בשטח שריג המתכת. אם האור פוגע בממשק שבין המתכת לחומר דיאלקטרי (הלא מוליך), ואם הוא גם בעל אותה התדירות, הוא יכול בנסיבות מסוימות לרטוט בתהודה יחד עם האלקטרונים שנמצאים במשטח המתכת וקשורים שם חלש. תנודות האלקטרונים בפני משטח המתכת תואמות את השדה האלקטרומגנטי שמחוץ למתכת. כלומר, כאשר האור פוגע בממשק המתכת והחומר הדיאלקטרי, האלקטרונים מתחילים לרטוט יחד עם האור הפוגע. נוצרות כך תנועות גליות של האלקטרונים במשטח המתכת יחד ובאחידות עם התנועות הגליות של האור הפוגע, ואופנים אלקטרומגנטיים אלה הם פלסמוני שטח. גלי צפיפות של האלקטרונים אשר מתפשטים לאורך הממשק שבין המתכת והחומר הדיאלקטרי כמו מעין אדוות. אופנים אלה מספקים דרך יעילה לצימוד האור והאלקטרונים ואת האפשרות למניפולצית האור בסקאלות גודל קטנות הרבה יותר מאשר אורך הגל שלו. דוחסים את הפלסמונים ותוחמים אותם למבנים בגודל ננומטרי, כך שתהיה להם אותה התדירות כמו לאור הפוגע ואותו המידע. אולם עתה הם בעלי אורך גל קטן יותר.

פלסמונים נוטים להתפזר לאחר מילימטרים בודדים בלבד. לכן הם קצרי חיים מכדי לשמש לשליחת נתונים למרחק של אפילו כמה סנטימטרים בודדים. הטכנולוגיה זקוקה לשיפור רב. מסיבה זו משתמשים בחומר בעל מקדם שבירה נמוך, או במטא-חומר שלו מקדם שבירה שלילי. כך האנרגיה האלקטרומגנטית הנכנסת מוחזרת במקביל לפני השטח של החומר ומועברת לאורכו עד כמה שניתן. מהנדסים ברמת הננו את החומרים שמשמשים לבניית רכיבים פלסמונים אפקטיביים. ואלה הם כאמור המטא-חומרים.

התגלית החדשה מהקלטק: מטא-חומרים בעלי מקדם שבירה שלילי עבור האור הנראה

הקבוצה מקלטק הנדסה מטא-חומר לפי תפישה חדשה, הם הנדסו מטא-חומר שלא תלוי בזווית הפגיעה ובקיטוב של הקרינה, ולכן לא מוגבל לטווח זוויות פגיעה ולקיטוב, כפי שהיה עד כה עם המטא-חומרים. הקבוצה מהקלטק בראשותם של פרופ’ הארי אטוואטר, פרופ’ לפיסיקה יישומית ומדע חומרים ופרופ’ ארס רוזקיס, פרופ’ להנדסה מכנית ואווירונאוטית, פיתחה מטא-חומר לשימושים באור הנראה.

עיקר התגלית הוא בפריצת הדרך ההנדסית. שכלול הנדסי הוביל לחומר פשוט יותר ובעל אפשרויות רבות יותר, היכולת ההנדסית החדשה לתכנן מטא-חומר בצורה חדשה, שיוכל לפעול בתחום האור הנראה. החוקרים מצאו דרך לשלב כסף יחד עם יחידות מנחי גלים פלסמוניים בשכבה אחת. יחידות מנחי הגלים הפלסמוניים מנחים את פלסמוני השטח בחומר. מתקבל חומר שניתן לכוון בו את תגובת מקדם השבירה השלילי: על ידי זה שמשנים את החומרים בהם משתמשים או את הגיאומטריה של מנחה הגלים, המטא-חומר מכוון להגיב לאורך גל שונה של האור שבא כמעט מכל זווית ובכל קיטוב.

אטוואטר מדגיש, שגמישות זו היא הכרחית אם רוצים שהחומר יפעל במגוון רחב של דרכים. ליישומים פרקטיים חשוב שתגובת החומר לא תהיה מושפעת מזווית הפגיעה ומהקיטוב, שכן הגלים באים מכל זווית שהיא. פירושו של דבר שהמטא-חומר החדש יכול להיות שימושי לתאים סולאריים. קרני השמש באות מכל כיוון. העובדה שניתן לכוון את המטא-חומר של החוקרים, פירושו שתגובתו יכולה להיות מכוונת טוב יותר לספקטרום הסולארי. תגובתו לזוויות רחבות פירושה, שיקבל אור מטווח רחב של זוויות. ככה יותר אור ייאסף ופחות אור יוחזר ויבוזבז.

החוקרים הנדסו בקפידה את הצימוד שבין יחידות מנחי הגלים בתוך המטא-חומר. וכך הם יכלו לפתח חומר בעל מקדם שבירה שלילי, שהוא כמעט אחיד, וגם מכוון לפעול בתדירויות האור הנראה בתחום הכחול.

Advertisements

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