Tödlicher Fehler in Unsichtbarkeits-Teppichumhängen entdeckt

Im Katz-und-Maus-Spiel der Tarnung hat die außergewöhnliche Entwicklung der Tarnumhänge der Maus in den letzten Jahren sicherlich die Oberhand verschafft. Theoretiker haben nicht nur die Ideen hinter diesen Geräten dramatisch weiterentwickelt, sondern andere haben die Umhänge selbst gebaut und getestet. Die Welt der Tarnung wird nie mehr gleich aussehen.

Heute wehren sich die Katzen, indem sie enthüllen, wie man das Vorhandensein eines Tarnumhangs erkennt und das darin versteckte Objekt entdeckt.

Unsichtbarkeitsumhänge verbergen Objekte, indem sie Licht um sie herum lenken, sodass die Objekte von einem Beobachter nicht gesehen werden können. Der Trick besteht darin, ein Material zu bauen, das Licht auf diese Weise lenkt.



Das erweist sich als extrem schwierig, auch weil sich die optischen Eigenschaften dieser Materialien von einem Punkt zum anderen so ändern müssen, dass diese Lenkung erreicht wird, eine Eigenschaft, die als optische Anisotropie bezeichnet wird. Aus diesem Grund mussten die ersten Tarnumhänge von Hand gebaut werden und schafften es selbst dann nur, ein flaches Objekt in zwei Dimensionen bei einer einzigen Wellenlänge des Mikrowellenlichts zu tarnen. Niemand konnte sich wirklich vorstellen, wie dieser Ansatz auf dem viel kleineren Maßstab, der für sichtbares Licht erforderlich ist, oder über einen Bereich von Frequenzen funktioniert.

Dann kam vor ein paar Jahren John Pendry, theoretischer Physiker am Imperial College London und intellektuell treibende Kraft auf diesem Gebiet, einen anderen Ansatz: den Teppichmantel.

Die Idee war, dass eine Schicht aus dielektrischem Material auf einer Oberfläche Licht so biegen kann, dass es so aussieht, als würde das Licht von der ursprünglichen Oberfläche reflektiert. Mit anderen Worten, diese zusätzliche Ebene wäre unsichtbar, also wäre auch alles, was darin enthalten ist, unsichtbar.

Diese Technik funktioniert für sichtbares Licht in einem breiten Frequenzbereich. Darüber hinaus, sagte Pendry, könnten Materialien, die dies tun könnten, völlig einheitlich sein – eher isotrop als anisotrop – und wären daher viel einfacher herzustellen.

Mit dieser einen Idee rückte der Traum von optischen Unsichtbarkeitsmänteln in greifbare Nähe und in diesem Blog haben wir die Entwicklung dieser Idee verfolgt Theorie in wenigen Monaten zu praxistauglichen Geräten.

Seitdem suchen Baile Zhang und Kumpels vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge nach der Schwachstelle dieser Idee und glauben nun, sie gefunden zu haben. Heute weisen sie darauf hin, dass Teppichumhänge einen Fehler haben, der die darin enthaltenen Gegenstände erkennbar macht.

Das Problem sei, dass isotrope Mäntel nicht perfekt funktionieren können. Hier ist der Grund. Licht kann man sich als eine Reihe von Wellenfronten mit jeweils einer bestimmten Energiemenge vorstellen. Normalerweise verläuft die Richtung der Energieausbreitung im rechten Winkel zu diesen Wellenfronten.

In einem Tarnumhang wird diese senkrechte Beziehung jedoch verzerrt, wenn die Lichtwellen gelenkt werden. Genau das macht ein anisotropes Material. Aber ein isotropes Material kann dies nicht – die Energie breitet sich immer im rechten Winkel zu den Wellenfronten aus. Diese Einschränkung bedeutet, dass isotrope Materialien Objekte nicht in der von Pendry vorgeschlagenen Weise verbergen können.

Zhang und Co. beweisen ihre Behauptung, indem sie einen Strahl verfolgen, der durch den isotropen Teppichmantel geht, den Pendry vorgeschlagen hat. Was sie entdeckt haben, wird Teppichmännchen auf der ganzen Welt schockieren.

Laut Zhang und Kumpels verstecken Teppichumhänge keine Gegenstände, sondern verschieben sie nur um ein bisschen weniger als hoch. Der Effekt hängt entscheidend vom Blickwinkel ab. Bei Beleuchtung in einem Winkel von 45 Grad erscheint ein Objekt mit einer Höhe von 0,2 Einheiten also um 0,15 Einheiten seitlich verschoben.

Wenn Zhang und Co. richtig liegen, könnte dies ein schwerer Schlag für die isotrope Teppichverkleidung sein. Dies bedeutet, dass der Teppich-Cloaking-Effekt einen begrenzten Blickwinkel hat.

Schauen Sie direkt von oben und ein Objekt kann perfekt versteckt werden, dafür brauchen Sie keinen Teppichumhang, sondern nur eine herkömmliche Tarnung. Die Frage ist, wie weit Sie von der Senkrechten gehen können, bevor ein isotroper optischer Teppichmantel Sie verrät.

In den Unsichtbarkeitskriegen geht dieser Kampf also zu den Katzen. Natürlich kommen die Mäuse mit einem neuen und verbesserten Teppichumhang zurück, der dieses Problem umgeht. Ein offensichtlicher Ausweg besteht darin, den Teppich anisotrop zu gestalten, also seine Struktur so zu variieren, dass er das Licht richtig um das Objekt lenkt.

Sekunden aus, Runde zwei.

Ref: arxiv.org/abs/1004.2551 : Lateral Shift macht Groundplane-Cloak erkennbar

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