Durchbruch bei der Tarnung der Tarnung

Metamaterialien interagieren mit Licht auf eine Weise, die die Gesetze der Physik zu verletzen scheint. Sie können Licht um ein Objekt biegen, als wäre es gar nicht da, oder die Auflösung von Lichtmikroskopen auf wenige Nanometer begrenzen. Um diese exotischen Effekte zu erzielen, müssen Metamaterialien jedoch im Nano- und Mikrobereich akribisch strukturiert werden. Nun hat der Forscher der Duke University, der 2006 den ersten Tarnumhang konstruierte, eine Software entwickelt, die das Design von Metamaterialien beschleunigt. Er und seine Kollegen haben mit dem Programm einen komplexen Lichtmantel gebaut, der für ein breites Mikrowellenlicht unsichtbar ist – und das in nur etwa 10 Tagen.

Jetzt siehst du es: Ein neues Gerät, das Mikrowellenstrahlung umleiten kann, besteht aus etwa 600 I-förmigen Kupferstrukturen und arbeitet über ein breites Spektrum.

David R. Smith von Herzog und Tai Jun Cui von der Southeast University in Nanjing, China, leitete die Arbeit, die einen Meilenstein auf dem Gebiet der Metamaterialien darstellt. Der Mantel, den die Forscher gebaut haben, funktioniert mit Lichtwellenlängen von etwa 1 bis 18 Gigahertz – ein Streifen so breit wie das sichtbare Spektrum. Niemand hat bisher eine Tarnvorrichtung hergestellt, die im sichtbaren Spektrum funktioniert, und die hergestellten Metamaterialien neigen dazu, nur mit schmalen Lichtbändern zu arbeiten. Aber ein Umhang, der ein Objekt mit nur einer Farbe für das Licht unsichtbar machte, würde nicht viel nützen. Ebenso kann es sich ein Tarngerät nicht leisten, verlustbehaftet zu sein: Wenn es nur ein wenig Licht von dem zu tarnenden Objekt reflektieren lässt, ist es nicht mehr wirksam. Der Umhang, den Smith gebaut hat, ist sehr verlustarm und leitet fast das gesamte Licht, das auf ihn trifft, erfolgreich um.

Ihr Umhang … beantwortet die Neinsager, die vorhergesagt haben, dass Umhänge immer schmalbandig und verlustbehaftet sein würden, sagt John Pendry , Lehrstuhl für Theoretische Festkörperphysik am Imperial College London. Pendry hat die theoretische Arbeit geleistet, auf der sowohl der erste Tarnumhang als auch sein neuer Nachfolger basieren. Ich freue mich natürlich sehr über diese Entwicklung, sagt Pendry. Er und sein Kollege vom Imperial College Jensen Li hat erst letztes Jahr eine theoretische Version eines Breitbandmantels vorgeschlagen, und damals, sagt er, habe er nicht mit so schnellen experimentellen Fortschritten gerechnet.

Der Breitbandmantel ist eine rechteckige Struktur von etwa 50 mal 10 Zentimetern und einer Höhe von etwa 1 Zentimeter. Es besteht aus ungefähr 600 I-förmigen Kupferstrukturen. Jede Struktur herzustellen ist eine einfache Sache, sagt Smith. Es sind Kupfermuster auf einer Platine, geschnitten und angeordnet. Es ist eine bekannte, kostengünstige Technologie. Der schwierige Teil besteht darin, die Abmessungen jeder dieser 600 Strukturen zu bestimmen und sie anzuordnen. Beim ersten leichten Mantel, der nur aus 10 solcher Teile bestand, mussten wir jedes Element durch numerische Simulationen entwerfen, sagt Smith. Die Anwendung des gleichen Ansatzes auf den komplizierteren Umhang hätte Monate gekostet.

Selbst für Physiker und Ingenieure ist die Mathematik beim theoretischen Design von Tarnvorrichtungen sehr schwierig, sagt Nicholas Fang , Professor für Maschinenbau und Ingenieurwissenschaften an der University of Illinois in Urbana-Champaign. Die Art und Weise, wie ein Material mit den magnetischen und elektrischen Komponenten des Lichts interagiert, wird bei der Bestimmung der Größe, Form und Ausrichtung jeder Struktur in einem Metamaterial berücksichtigt. Die theoretische Arbeit von Pendry und Li beschrieb, wie man einen Breitbandmantel herstellt, indem man Materialien verwendet, die so strukturiert sind, dass sie auf Licht elektrisch, aber nicht magnetisch reagieren. Es war jedoch nicht klar, wie diese Idee in die Praxis umgesetzt werden sollte. Die Forscher der Southeast University haben neue Algorithmen entwickelt, um den Prozess stark zu beschleunigen, sagt Smith. Diese Algorithmen ermöglichen es, schnell vorherzusagen, wie eine Struktur mit einer bestimmten Form mit Licht wechselwirkt.

Der Umhang selbst, beschrieben diese Woche in Wissenschaft , ist in der Tat beeindruckend, sagt Fang, der an Metamaterialien für die hochauflösende biologische Bildgebung arbeitet. Spannender ist jedoch, dass der neue Designansatz die Entwicklung anderer Metamaterialien beschleunigen wird. Smith sagt, dass er und seine Gruppe bereits über den in . berichteten Umhang hinausgekommen sind Wissenschaft , aber da ihre neueste Arbeit unveröffentlicht ist, kann er nicht angeben, was sie gemacht haben. Jetzt [da] dies eine praktikablere Technologie wird, sagt er, werden wir viel mehr davon sehen.

Andere Anwendungen von Metamaterialien, sagt Smith, umfassen optische Geräte, die Lichtenergie aufnehmen und sie konzentrieren, anstatt sie abzuwenden – konzeptionell das Gegenteil eines Mantels. Man könnte Solarzellen verbessern, indem man Strukturen herstellt, die die Feldstärke des Lichts erhöhen, sagt er. Die neue Arbeit legt nahe, dass dies über das gesamte Wellenlängenspektrum des Sonnenlichts erfolgen könnte. In ähnlicher Weise könnten Breitband-Hyperlinsen, die das von normalen Linsen verfehlte Licht sammeln, die biologische Bildgebung revolutionieren. Fang und andere haben schmalbandige Hyperlinsen mit Auflösungen von nur wenigen Nanometern entwickelt, die die molekulare Funktionsweise von Zellen sichtbar machen. Eine Breitband-Hyperlinse könnte mit allen Farben des sichtbaren und infraroten Lichts arbeiten.

Das ultimative Ziel, sagt Pendry, ist die Tarnung im sichtbaren Lichtspektrum, und Smiths neueste Arbeit weist den Weg in die Zukunft. Es gibt keine unüberwindlichen Hindernisse dafür, dass ein Umhang bei optischen Frequenzen funktioniert, sagt Pendry. Das Duke-Papier bringt diesem Ziel einen Schritt näher.

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