metamaterials ใหม่: แสงภายใต้การควบคุม

รายงานจำนวนมากเกี่ยวกับ " metamaterials" (ในเครื่องหมายคำพูด เนื่องจากคำจำกัดความเริ่มไม่ชัดเจน) ทำให้เราคิดว่าสิ่งเหล่านี้เป็นเหมือนยาครอบจักรวาลสำหรับปัญหา ความเจ็บปวด และข้อจำกัดทั้งหมดที่โลกสมัยใหม่ของเทคโนโลยีต้องเผชิญ แนวคิดที่น่าสนใจที่สุดเมื่อเร็ว ๆ นี้เกี่ยวข้องกับคอมพิวเตอร์ออปติคัลและความเป็นจริงเสมือน

มีความสัมพันธ์ คอมพิวเตอร์สมมุติแห่งอนาคตตัวอย่างรวมถึงการศึกษาโดยผู้เชี่ยวชาญจากมหาวิทยาลัย TAU ของอิสราเอลในเทลอาวีฟ พวกเขากำลังออกแบบวัสดุนาโนหลายชั้นที่ควรใช้เพื่อสร้างคอมพิวเตอร์ออปติคัล ในทางกลับกัน นักวิจัยจากสถาบัน Swiss Paul Scherrer ได้สร้างสสารสามเฟสจากแม่เหล็กขนาดเล็กกว่าพันล้านชิ้นที่มีความสามารถ จำลองสามสถานะรวมโดยการเปรียบเทียบกับน้ำ

ใช้ทำอะไรได้บ้าง? ชาวอิสราเอลต้องการสร้าง ชาวสวิสพูดถึงการส่งและบันทึกข้อมูล เช่นเดียวกับสปินทรอนิกส์โดยทั่วไป

metamaterial สามเฟสที่ทำจากแม่เหล็กขนาดเล็กที่เลียนแบบสถานะของน้ำทั้งสาม

โฟตอนตามความต้องการ

การวิจัยโดยนักวิทยาศาสตร์ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Berkeley ที่ Department of Energy อาจนำไปสู่การพัฒนาคอมพิวเตอร์ออปติคัลโดยใช้ metamaterials พวกเขาเสนอให้สร้างเฟรมเวิร์กเลเซอร์ชนิดหนึ่งที่สามารถจับอะตอมบางตัวในที่ใดที่หนึ่ง สร้างการออกแบบที่ควบคุมอย่างเข้มงวด โครงสร้างตามแสง. คล้ายกับคริสตัลธรรมชาติ ด้วยความแตกต่างเพียงอย่างเดียว - เกือบจะสมบูรณ์แบบ ไม่พบข้อบกพร่องในวัสดุธรรมชาติ

นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าพวกเขาจะไม่เพียง แต่จะสามารถควบคุมตำแหน่งของกลุ่มอะตอมใน "ผลึกแสง" ได้อย่างแน่นหนา แต่ยังมีอิทธิพลอย่างมากต่อพฤติกรรมของอะตอมแต่ละตัวโดยใช้เลเซอร์อีกตัวหนึ่ง (ใกล้ช่วงอินฟราเรด) พวกมันจะทำให้พวกมัน ตัวอย่างเช่น ตามความต้องการปล่อยพลังงานบางอย่าง - แม้แต่โฟตอนเดียว ซึ่งเมื่อนำออกจากที่หนึ่งในคริสตัล ก็สามารถกระทำกับอะตอมที่ติดอยู่ในอีกที่หนึ่งได้ มันจะเป็นการแลกเปลี่ยนข้อมูลอย่างง่าย

ความสามารถในการปล่อยโฟตอนอย่างรวดเร็วในลักษณะที่ควบคุมและถ่ายโอนโดยสูญเสียเพียงเล็กน้อยจากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่งเป็นขั้นตอนการประมวลผลข้อมูลที่สำคัญสำหรับการคำนวณควอนตัม เราสามารถจินตนาการถึงการใช้โฟตอนที่ควบคุมทั้งอาร์เรย์เพื่อทำการคำนวณที่ซับซ้อนมาก - เร็วกว่าการใช้คอมพิวเตอร์สมัยใหม่มาก อะตอมที่ฝังอยู่ในคริสตัลเทียมสามารถกระโดดจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งได้ ในกรณีนี้ พวกเขาเองจะกลายเป็นผู้ให้บริการข้อมูลในคอมพิวเตอร์ควอนตัมหรือสามารถสร้างเซ็นเซอร์ควอนตัมได้

นักวิทยาศาสตร์พบว่าอะตอมของรูบิเดียมเหมาะอย่างยิ่งสำหรับจุดประสงค์ อย่างไรก็ตาม อะตอมของแบเรียม แคลเซียม หรือซีเซียมสามารถจับได้ด้วยคริสตัลเลเซอร์เทียม เพราะมีระดับพลังงานใกล้เคียงกัน ในการสร้าง metamaterial ที่เสนอในการทดลองจริง ทีมวิจัยจะต้องจับอะตอมสองสามอะตอมในโครงผลึกเทียมและเก็บไว้ที่นั่นแม้ในขณะที่ตื่นเต้นกับสถานะพลังงานที่สูงขึ้น

ความเป็นจริงเสมือนไม่มีข้อบกพร่องทางแสง

Metamaterials สามารถค้นหาแอปพลิเคชั่นที่มีประโยชน์ในด้านการพัฒนาเทคโนโลยีอื่น - ความเป็นจริงเสมือนมีข้อ จำกัด มากมาย ความไม่สมบูรณ์ของเลนส์ที่เรารู้จักมีบทบาทสำคัญ แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะสร้างระบบออพติคอลที่สมบูรณ์แบบ เพราะมีสิ่งที่เรียกว่าความคลาดเคลื่อนอยู่เสมอ ความผิดเพี้ยนของคลื่นที่เกิดจากปัจจัยต่างๆ เราตระหนักถึงความคลาดเคลื่อนของทรงกลมและสี สายตาเอียง โคม่า และผลกระทบด้านลบอื่นๆ มากมายจากเลนส์ ใครก็ตามที่เคยใช้ฉากเสมือนจริงต้องรับมือกับปรากฏการณ์เหล่านี้ เป็นไปไม่ได้ที่จะออกแบบเลนส์ VR ที่มีน้ำหนักเบา สร้างภาพคุณภาพสูง ไม่มีรุ้งที่มองเห็นได้ (ความคลาดเคลื่อนของสี) ให้มุมมองภาพกว้าง และมีราคาถูก นี้เป็นเพียงไม่จริง

นั่นคือเหตุผลที่ผู้ผลิตอุปกรณ์ VR Oculus และ HTC ใช้สิ่งที่เรียกว่าเลนส์ Fresnel วิธีนี้ช่วยให้คุณรับน้ำหนักน้อยลงอย่างมาก ขจัดความคลาดเคลื่อนของสี และรับราคาที่ค่อนข้างต่ำ (วัสดุสำหรับการผลิตเลนส์ดังกล่าวมีราคาถูก) น่าเสียดายที่วงแหวนการหักเหของแสงทำให้เกิด w เลนส์เฟรส คอนทราสต์ที่ลดลงอย่างมีนัยสำคัญและการเกิดแสงสะท้อนแบบแรงเหวี่ยง ซึ่งจะเห็นได้ชัดเจนเป็นพิเศษเมื่อฉากมีความเปรียบต่างสูง (พื้นหลังสีดำ)

อย่างไรก็ตาม เมื่อเร็วๆ นี้ นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด นำโดย Federico Capasso สามารถพัฒนาได้ เลนส์บางและแบนโดยใช้ metamaterials. ชั้นโครงสร้างนาโนบนกระจกนั้นบางกว่าเส้นผมมนุษย์ (0,002 มม.) ไม่เพียงแต่จะไม่มีข้อเสียทั่วไปเท่านั้น แต่ยังให้คุณภาพของภาพที่ดีกว่าระบบออปติคัลราคาแพงอีกด้วย

เลนส์ Capasso ซึ่งแตกต่างจากเลนส์นูนทั่วไปที่โค้งงอและกระจายแสง โดยจะเปลี่ยนคุณสมบัติของคลื่นแสงอันเนื่องมาจากโครงสร้างขนาดเล็กมากที่ยื่นออกมาจากพื้นผิวที่เกาะอยู่บนแก้วควอทซ์ หิ้งดังกล่าวแต่ละอันหักเหแสงต่างกันโดยเปลี่ยนทิศทาง ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องแจกจ่ายโครงสร้างนาโน (รูปแบบ) ดังกล่าวที่ออกแบบและผลิตด้วยคอมพิวเตอร์โดยใช้วิธีการที่คล้ายกับโปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์ ซึ่งหมายความว่าเลนส์ชนิดนี้สามารถผลิตได้ในโรงงานเดียวกันเหมือนแต่ก่อน โดยใช้กระบวนการผลิตที่เป็นที่รู้จัก ไททาเนียมไดออกไซด์ใช้สำหรับสปัตเตอร์

เป็นเรื่องที่ควรค่าแก่การกล่าวถึงโซลูชันที่เป็นนวัตกรรมใหม่ของ "meta-optics" metamaterial ไฮเปอร์เลนส์ถ่ายที่มหาวิทยาลัยอเมริกันที่บัฟฟาโล ไฮเปอร์เลนส์รุ่นแรกทำมาจากเงินและวัสดุอิเล็กทริก แต่ใช้งานได้ในช่วงความยาวคลื่นที่แคบมากเท่านั้น นักวิทยาศาสตร์ของบัฟฟาโลใช้การจัดเรียงแท่งทองคำแบบศูนย์กลางในกล่องเทอร์โมพลาสติก ทำงานในช่วงความยาวคลื่นแสงที่มองเห็นได้ นักวิจัยแสดงให้เห็นถึงความละเอียดที่เพิ่มขึ้นซึ่งเป็นผลมาจากการแก้ปัญหาใหม่โดยใช้กล้องเอนโดสโคปทางการแพทย์เป็นตัวอย่าง โดยปกติแล้วจะจดจำวัตถุได้สูงถึง 10 นาโนเมตร และหลังจากติดตั้งไฮเปอร์เลนส์แล้ว มันจะ "ลดลง" เหลือ 250 นาโนเมตร การออกแบบนี้เอาชนะปัญหาการเลี้ยวเบนซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่ลดความละเอียดของระบบออปติคัลลงได้อย่างมาก แทนที่จะบิดเบือนคลื่น พวกมันจะถูกแปลงเป็นคลื่นที่สามารถบันทึกลงในอุปกรณ์ออปติคัลที่ตามมาได้

ตามการตีพิมพ์ใน Nature Communications วิธีนี้สามารถใช้ได้ในหลายพื้นที่ ตั้งแต่การแพทย์ไปจนถึงการสังเกตโมเลกุลเดี่ยว เป็นการเหมาะสมที่จะรออุปกรณ์คอนกรีตตาม metamaterial บางทีพวกเขาอาจยอมให้ความจริงเสมือนประสบความสำเร็จในที่สุด สำหรับ "คอมพิวเตอร์ออปติคัล" สิ่งเหล่านี้ยังค่อนข้างห่างไกลและคลุมเครือ อย่างไรก็ตาม ไม่มีอะไรสามารถตัดออกได้...