“หมวกล่องหน” ยังล่องหนอยู่

ชุด "เสื้อคลุมล่องหน" ล่าสุดคือชุดที่เกิดที่มหาวิทยาลัยโรเชสเตอร์ (1) ซึ่งใช้ระบบแสงที่เหมาะสม อย่างไรก็ตาม ผู้คลางแคลงใจเรียกสิ่งนี้ว่าเทคนิคลวงตาหรือเอฟเฟกต์พิเศษ ซึ่งระบบเลนส์อันชาญฉลาดจะหักเหแสงและหลอกลวงการมองเห็นของผู้สังเกต

มีคณิตศาสตร์ขั้นสูงบางอย่างอยู่เบื้องหลัง นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องใช้มันเพื่อค้นหาวิธีตั้งค่าเลนส์ทั้งสองเพื่อให้แสงหักเหในลักษณะที่สามารถซ่อนวัตถุไว้ข้างหลังได้โดยตรง วิธีนี้ใช้ได้ผลไม่เฉพาะเมื่อมองที่เลนส์โดยตรง - ทำมุม 15 องศาหรืออีกมุมก็เพียงพอ

1. "หมวกล่องหน" จากมหาวิทยาลัยโรเชสเตอร์

สามารถใช้ในรถยนต์เพื่อขจัดจุดบอดในกระจกหรือในห้องผ่าตัด ช่วยให้ศัลยแพทย์มองผ่านมือได้ นี่เป็นอีกเรื่องหนึ่งในชุดยาวของการเปิดเผยเกี่ยวกับ เทคโนโลยีที่มองไม่เห็นที่มาหาเราในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

ในปี 2012 เราได้ยินเกี่ยวกับ "หมวกล่องหน" จากมหาวิทยาลัย American Duke แล้ว มีเพียงความอยากรู้อยากเห็นเท่านั้นที่อ่านได้ว่ามันเกี่ยวกับการล่องหนของทรงกระบอกเล็ก ๆ ในส่วนเล็ก ๆ ของสเปกตรัมไมโครเวฟ หนึ่งปีก่อนหน้านั้น เจ้าหน้าที่ของ Duke ได้รายงานเกี่ยวกับเทคโนโลยีการพรางตัวของโซนาร์ที่อาจดูมีความหวังในบางวงการ

น่าเสียดายที่มันเป็น การล่องหน จากมุมมองที่แน่นอนและในขอบเขตที่แคบซึ่งทำให้เทคโนโลยีมีประโยชน์น้อย ในปี 2013 วิศวกรผู้ไม่รู้จักเหน็ดเหนื่อยของ Duke ได้เสนออุปกรณ์การพิมพ์ 3 มิติที่พรางวัตถุที่วางอยู่ภายในด้วยรูขนาดเล็กในโครงสร้าง (2) อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้เกิดขึ้นในช่วงคลื่นที่จำกัดและจากมุมมองที่แน่นอนเท่านั้น

ในภาพถ่ายที่เผยแพร่ทางอินเทอร์เน็ต ผ้าคลุมของบริษัท Hyperstealth ของแคนาดาดูมีความหวัง ซึ่งในปี 2012 ได้มีการโฆษณาภายใต้ชื่อที่น่าสนใจ Quantum Stealth (3) น่าเสียดายที่ต้นแบบการทำงานไม่เคยได้รับการสาธิตและไม่ได้อธิบายวิธีการทำงาน บริษัทอ้างถึงปัญหาด้านความปลอดภัยเป็นเหตุผลและรายงานอย่างลับๆ ว่ากำลังเตรียมผลิตภัณฑ์เวอร์ชันลับสำหรับกองทัพ

จอภาพด้านหน้า, กล้องด้านหลัง

ทันสมัยก่อนหมวกล่องหน» เปิดตัวเมื่อ 4 ปีที่แล้ว โดยวิศวกรชาวญี่ปุ่น ศ. Susumu Tachi จากมหาวิทยาลัยโตเกียว เขาใช้กล้องที่อยู่ด้านหลังชายสวมเสื้อคลุมที่มีจอมอนิเตอร์ด้วย ภาพจากกล้องหลังฉายลงบนภาพ ชายที่สวมเสื้อคลุมนั้น "ล่องหน" เคล็ดลับที่คล้ายกันนี้ถูกใช้โดยอุปกรณ์พรางตัวรถยนต์ Adaptiv ที่เปิดตัวในทศวรรษที่ผ่านมาโดย BAE Systems (XNUMX)

มันแสดงภาพอินฟราเรด "จากด้านหลัง" บนเกราะของรถถัง เครื่องดังกล่าวไม่สามารถมองเห็นได้ในอุปกรณ์เล็ง แนวคิดในการปิดบังวัตถุเริ่มเป็นรูปเป็นร่างในปี 2006 John Pendry จาก Imperial College London, David Schurig และ David Smith จาก Duke University ได้ตีพิมพ์ทฤษฎีของ "transformation optics" ในวารสาร Science และนำเสนอวิธีการทำงานในกรณีของไมโครเวฟ (ความยาวคลื่นยาวกว่าแสงที่มองเห็นได้)

2. "ฝาครอบล่องหน" พิมพ์สามมิติ

ด้วยความช่วยเหลือของ metamaterials ที่เหมาะสม คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถงอในลักษณะที่จะเลี่ยงผ่านวัตถุรอบข้างและกลับสู่เส้นทางปัจจุบัน พารามิเตอร์ที่กำหนดลักษณะปฏิกิริยาทางแสงทั่วไปของตัวกลางคือดัชนีการหักเหของแสง ซึ่งกำหนดว่าแสงจะเคลื่อนที่ช้ากว่าในสุญญากาศกี่ครั้งในตัวกลางนี้ เราคำนวณว่าเป็นรากของผลิตภัณฑ์ของการซึมผ่านของไฟฟ้าและแม่เหล็กสัมพัทธ์

การซึมผ่านของไฟฟ้าสัมพัทธ์ กำหนดว่าแรงปฏิกิริยาทางไฟฟ้าในสารหนึ่งๆ จะน้อยกว่าแรงปฏิกิริยาในสุญญากาศกี่ครั้ง ดังนั้นจึงเป็นการวัดว่าประจุไฟฟ้าภายในสารตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าภายนอกมากเพียงใด สารส่วนใหญ่มีสภาพยอมจำนนในเชิงบวก ซึ่งหมายความว่าสนามที่เปลี่ยนแปลงโดยสารยังคงมีความหมายเดียวกันกับสนามภายนอก

การซึมผ่านของแม่เหล็กสัมพัทธ์ m กำหนดว่าสนามแม่เหล็กเปลี่ยนแปลงอย่างไรในช่องว่างที่เต็มไปด้วยวัสดุที่กำหนด เมื่อเทียบกับสนามแม่เหล็กที่จะมีอยู่ในสุญญากาศที่มีแหล่งกำเนิดสนามแม่เหล็กภายนอกเดียวกัน สำหรับสารที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติทั้งหมด การซึมผ่านของแม่เหล็กสัมพัทธ์จะเป็นค่าบวก สำหรับสื่อโปร่งใส เช่น แก้วหรือน้ำ ปริมาณทั้งสามเป็นค่าบวก

จากนั้นแสงที่ผ่านจากสุญญากาศหรืออากาศ (พารามิเตอร์ของอากาศแตกต่างจากสุญญากาศเพียงเล็กน้อย) เข้าสู่ตัวกลางจะหักเหตามกฎการหักเหของแสงและอัตราส่วนของไซน์ของมุมตกกระทบต่อไซน์ของมุมหักเหคือ เท่ากับดัชนีการหักเหของแสงของตัวกลางนี้ ค่าน้อยกว่าศูนย์ และ m หมายความว่าอิเล็กตรอนในตัวกลางเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามกับแรงที่เกิดจากสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็ก

นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นในโลหะ ซึ่งก๊าซอิเล็กตรอนอิสระผ่านการแกว่งของมันเอง หากความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไม่เกินความถี่ของการสั่นตามธรรมชาติของอิเล็กตรอน การสั่นเหล่านี้จะกรองสนามไฟฟ้าของคลื่นอย่างมีประสิทธิภาพเพื่อไม่ให้เจาะลึกเข้าไปในโลหะ และสร้างสนามตรงข้าม สู่สนามภายนอก

เป็นผลให้การอนุญาติของวัสดุดังกล่าวเป็นลบ ไม่สามารถเจาะลึกเข้าไปในโลหะได้ รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจะสะท้อนจากพื้นผิวของโลหะ และตัวโลหะเองก็จะได้รับความแวววาวเฉพาะตัว จะเกิดอะไรขึ้นถ้าการยอมจำนนทั้งสองประเภทเป็นลบ? คำถามนี้ถูกถามในปี 1967 โดย Viktor Veselago นักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย ปรากฎว่าดัชนีการหักเหของแสงของตัวกลางนั้นเป็นค่าลบ และแสงถูกหักเหในวิธีที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงจากกฎการหักเหของแสงปกติ

5. การหักเหของแสงบนพื้นผิวของวัสดุ metamaterial - การสร้างภาพ

จากนั้นพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะถูกถ่ายโอนไปข้างหน้า แต่สูงสุดของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามกับรูปร่างของแรงกระตุ้นและพลังงานที่ถ่ายโอน วัสดุดังกล่าวไม่มีอยู่ในธรรมชาติ (ไม่มีสารที่มีการซึมผ่านของแม่เหล็กเชิงลบ) เฉพาะในสิ่งพิมพ์ปี 2006 ที่กล่าวถึงข้างต้นและในสิ่งพิมพ์อื่น ๆ อีกมากมายที่สร้างขึ้นในปีต่อ ๆ มาเท่านั้นจึงเป็นไปได้ที่จะอธิบายและสร้างโครงสร้างเทียมด้วยดัชนีการหักเหของแสงเชิงลบ (5)

พวกเขาเรียกว่า metamaterials คำนำหน้าภาษากรีก "เมตา" หมายถึง "หลัง" นั่นคือโครงสร้างที่ทำจากวัสดุธรรมชาติ Metamaterials ได้รับคุณสมบัติที่ต้องการโดยการสร้างวงจรไฟฟ้าขนาดเล็กที่เลียนแบบคุณสมบัติทางแม่เหล็กหรือทางไฟฟ้าของวัสดุ โลหะหลายชนิดมีการซึมผ่านทางไฟฟ้าเป็นลบ ดังนั้นจึงเพียงพอที่จะเว้นที่ว่างสำหรับองค์ประกอบที่ให้การตอบสนองทางแม่เหล็กเชิงลบ

แทนที่จะเป็นโลหะที่เป็นเนื้อเดียวกัน ลวดโลหะบางๆ จำนวนมากที่จัดเรียงอยู่ในรูปของตารางลูกบาศก์จะติดอยู่กับแผ่นวัสดุฉนวน โดยการเปลี่ยนเส้นผ่านศูนย์กลางของสายไฟและระยะห่างระหว่างเส้นลวด ทำให้สามารถปรับค่าความถี่ที่โครงสร้างจะมีค่าการซึมผ่านของไฟฟ้าเชิงลบได้ เพื่อให้ได้ค่าการซึมผ่านของแม่เหล็กเป็นลบในกรณีที่ง่ายที่สุด การออกแบบประกอบด้วยวงแหวนหักสองอันที่ทำจากตัวนำที่ดี (เช่น ทอง เงิน หรือทองแดง) และคั่นด้วยชั้นของวัสดุอื่น

ระบบดังกล่าวเรียกว่าเครื่องสะท้อนเสียงแบบวงแหวนแยก - ย่อมาจาก SRR จากภาษาอังกฤษ เครื่องสะท้อนเสียงแบบแยกส่วน (6). เนื่องจากช่องว่างในวงแหวนและระยะห่างระหว่างพวกมัน มันจึงมีความจุบางอย่าง เช่น ตัวเก็บประจุ และเนื่องจากวงแหวนทำจากวัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า มันจึงมีค่าความเหนี่ยวนำบางอย่างเช่น ความสามารถในการสร้างกระแส

การเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กภายนอกจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทำให้กระแสไหลในวงแหวน และกระแสนี้จะสร้างสนามแม่เหล็ก ปรากฎว่าด้วยการออกแบบที่เหมาะสม สนามแม่เหล็กที่สร้างโดยระบบจะมุ่งตรงไปตรงข้ามกับสนามภายนอก ส่งผลให้เกิดการซึมผ่านของแม่เหล็กในเชิงลบของวัสดุที่มีองค์ประกอบดังกล่าว ด้วยการตั้งค่าพารามิเตอร์ของระบบ metamaterial เราสามารถรับการตอบสนองทางแม่เหล็กเชิงลบในช่วงความถี่คลื่นที่ค่อนข้างกว้าง

เมตา - อาคาร

ความฝันของนักออกแบบคือการสร้างระบบที่คลื่นจะไหลไปรอบๆ วัตถุในอุดมคติ (7) ในปี 2008 นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ ได้สร้างวัสดุสามมิติที่มีดัชนีการหักเหของแสงเป็นลบสำหรับแสงที่มองเห็นและแสงใกล้อินฟราเรด โดยดัดแสงไปในทิศทางตรงกันข้ามกับทิศทางธรรมชาติ พวกเขาสร้าง metamaterial ใหม่โดยการรวมเงินกับแมกนีเซียมฟลูออไรด์

จากนั้นจึงตัดเป็นเมทริกซ์ที่ประกอบด้วยเข็มขนาดเล็ก สังเกตปรากฏการณ์การหักเหเชิงลบที่ความยาวคลื่น 1500 นาโนเมตร (ใกล้อินฟราเรด) ในช่วงต้นปี 2010 Tolga Ergin แห่ง Karlsruhe Institute of Technology และเพื่อนร่วมงานที่ Imperial College London ได้ก่อตั้ง ล่องหน ม่านแสง. นักวิจัยใช้วัสดุที่หาได้ในตลาด

พวกเขาใช้คริสตัลโฟโตนิกที่วางอยู่บนพื้นผิวเพื่อปกปิดส่วนที่ยื่นออกมาด้วยกล้องจุลทรรศน์บนแผ่นทองคำ ดังนั้น metamaterial จึงถูกสร้างขึ้นจากเลนส์พิเศษ เลนส์ที่อยู่ตรงข้ามกับโคกบนจานถูกจัดวางในลักษณะที่การเบี่ยงเบนส่วนหนึ่งของคลื่นแสงจะช่วยขจัดการกระเจิงของแสงบนส่วนนูน ด้วยการสังเกตจานใต้กล้องจุลทรรศน์ โดยใช้แสงที่มีความยาวคลื่นใกล้เคียงกับแสงที่มองเห็นได้ นักวิทยาศาสตร์เห็นจานแบน

ต่อมา นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยดุ๊กและอิมพีเรียลคอลเลจลอนดอนสามารถได้รับการสะท้อนเชิงลบของรังสีไมโครเวฟ เพื่อให้ได้เอฟเฟกต์นี้ องค์ประกอบแต่ละส่วนของโครงสร้าง metamaterial ต้องน้อยกว่าความยาวคลื่นของแสง จึงเป็นความท้าทายทางเทคนิคที่ต้องมีการผลิตโครงสร้าง metamaterial ขนาดเล็กมาก ซึ่งตรงกับความยาวคลื่นของแสงที่พวกมันควรจะหักเห

แสงที่มองเห็นได้ (สีม่วงถึงสีแดง) มีความยาวคลื่น 380 ถึง 780 นาโนเมตร (นาโนเมตรคือหนึ่งในพันล้านของเมตร) นักนาโนเทคโนโลยีจากมหาวิทยาลัยสก็อตแห่งเซนต์แอนดรูว์มาช่วย พวกเขาได้รับ metamaterial ที่มีตาข่ายหนาแน่นมากเพียงชั้นเดียว หน้าของ New Journal of Physics อธิบาย metaflex ที่สามารถดัดความยาวคลื่นได้ประมาณ 620 นาโนเมตร (แสงสีส้มแดง)

ในปี 2012 นักวิจัยชาวอเมริกันกลุ่มหนึ่งที่มหาวิทยาลัยเท็กซัสในออสตินได้ค้นพบกลอุบายที่ต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงโดยใช้ไมโครเวฟ กระบอกสูบที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 18 ซม. เคลือบด้วยวัสดุพลาสมาอิมพีแดนซ์เชิงลบ ซึ่งช่วยให้สามารถปรับเปลี่ยนคุณสมบัติได้ หากมีคุณสมบัติทางแสงที่ตรงกันข้ามกับวัตถุที่ซ่อนอยู่ มันจะสร้าง "ค่าลบ"

ดังนั้นคลื่นทั้งสองจึงทับซ้อนกันและวัตถุก็มองไม่เห็น เป็นผลให้วัสดุสามารถโค้งงอช่วงความถี่ที่แตกต่างกันหลายช่วงของคลื่นเพื่อให้ไหลไปรอบ ๆ วัตถุโดยมาบรรจบกันที่อีกด้านหนึ่งของคลื่นซึ่งอาจมองไม่เห็นแก่ผู้สังเกตภายนอก แนวคิดทางทฤษฎีกำลังทวีคูณ

ประมาณหนึ่งโหลเดือนก่อน Advanced Optical Materials ได้ตีพิมพ์บทความเกี่ยวกับการศึกษาที่อาจจะแหวกแนวโดยนักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัย Central Florida ใครจะรู้ว่าพวกเขาล้มเหลวในการเอาชนะข้อ จำกัด ที่มีอยู่ใน "หมวกล่องหน» สร้างขึ้นจาก metamaterials ตามข้อมูลที่พวกเขาเผยแพร่ การหายตัวไปของวัตถุในช่วงแสงที่มองเห็นได้นั้นเป็นไปได้

7. วิธีทฤษฎีในการหักเหแสงบนวัตถุที่มองไม่เห็น

Debashis Chanda และทีมของเขาอธิบายการใช้ metamaterial ที่มีโครงสร้างสามมิติ มันเป็นไปได้ที่จะได้รับมันด้วยสิ่งที่เรียกว่า การพิมพ์นาโนทรานส์เฟอร์ (NTP) ซึ่งผลิตเทปโลหะ-ไดอิเล็กทริก ดัชนีการหักเหของแสงสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยวิธีนาโนวิศวกรรม ต้องควบคุมเส้นทางการแพร่กระจายแสงในโครงสร้างพื้นผิวสามมิติของวัสดุโดยใช้วิธีการเรโซแนนซ์แม่เหล็กไฟฟ้า

นักวิทยาศาสตร์มีความระมัดระวังอย่างมากในข้อสรุปของพวกเขา แต่จากคำอธิบายของเทคโนโลยีของพวกเขา มันค่อนข้างชัดเจนว่าการเคลือบของวัสดุดังกล่าวสามารถเบี่ยงเบนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ในระดับมาก นอกจากนี้ วิธีการได้มาซึ่งวัสดุใหม่ทำให้สามารถผลิตพื้นที่ขนาดใหญ่ได้ ซึ่งทำให้บางคนฝันถึงนักสู้ที่คลุมด้วยลายพรางที่จะจัดหาให้พวกเขา การล่องหน สมบูรณ์ตั้งแต่เรดาร์จนถึงกลางวัน

อุปกรณ์ปกปิดโดยใช้ metamaterials หรือเทคนิคเกี่ยวกับแสงไม่ได้ทำให้วัตถุหายไปจริง ๆ แต่มีเพียงการล่องหนของพวกเขาไปยังเครื่องมือตรวจจับและในไม่ช้าอาจจะถึงตา อย่างไรก็ตาม มีความคิดที่รุนแรงกว่านี้อยู่แล้ว Jeng Yi Lee และ Ray-Kuang Lee จากมหาวิทยาลัย Tsing Hua แห่งชาติไต้หวันได้เสนอแนวคิดเชิงทฤษฎีของ "เสื้อคลุมล่องหน" ของควอนตัมที่สามารถลบวัตถุได้ ไม่เพียงแต่จากมุมมองเท่านั้น แต่ยังรวมถึงจากความเป็นจริงโดยรวมด้วย

ซึ่งจะทำงานคล้ายกับที่กล่าวไว้ข้างต้น แต่จะใช้สมการชโรดิงเงอร์แทนสมการของแมกซ์เวลล์ ประเด็นคือการขยายช่องความน่าจะเป็นของวัตถุให้มีค่าเท่ากับศูนย์ ในทางทฤษฎี เป็นไปได้ที่ไมโครสเกล อย่างไรก็ตาม จะใช้เวลานานในการรอความเป็นไปได้ทางเทคโนโลยีของการผลิตฝาครอบดังกล่าว เช่นเดียวกับใด ๆ "หมวกล่องหน“ซึ่งพูดได้ว่าเธอกำลังปิดบังบางสิ่งจากมุมมองของเราจริงๆ