Новыя метаматэрыялы: святло пад кантролем

Мноства паведамленняў пра «метаматэрыялы» (у двукоссі, таму што вызначэнне пачынае расплывацца) прымушае нас думаць пра іх ці ледзь не як пра панацэю ад усіх праблем, боляў і абмежаванняў, з якімі сутыкаецца сучасны свет тэхналогій. Самыя цікавыя канцэпцыі ў апошні час датычацца аптычных кампутараў і віртуальнай рэальнасці.

у дачыненні да гіпатэтычныя кампутары будучыніу якасці прыкладаў можна прывесці даследаванні адмыслоўцаў ізраільскага ўніверсітэта ТАУ у Тэль-Авіве. Яны канструююць шматслаёвыя нанаматэрыялы, дзякуючы якім павінны быць створаны аптычныя кампутары. У сваю чаргу, даследнікі са швейцарскага Інстытута Паўля Шэрэра пабудавалі трохфазнае рэчыва з мільярда мініятурных магнітаў, здольных імітаваць тры агрэгатныя станы, па аналогіі з вадой.

Навошта гэта можна выкарыстоўваць? Ізраільцяне жадаюць будаваць. Швейцарцы гавораць аб перадачы даных і запісу, а таксама аб спінтроніцы ў цэлым.

Трохфазны метаматэрыял з мінімагнетыкаў, які імітуе тры станы вады.

Фатоны па запыце

Даследаванні навукоўцаў з Нацыянальнай лабараторыі Лоўрэнса Берклі пры Міністэрстве энергетыкі могуць прывесці да распрацоўкі аптычных кампутараў на аснове метаматэрыялаў. Яны прапануюць стварыць нейкі лазерны каркас, які зможа ўлоўліваць вызначаныя пакеты атамаў у вызначаным месцы, ствараючы строга спраектаваную, кантраляваную. структура на аснове святла. Ён нагадвае прыродныя крышталі. З адным адрозненнем - ён практычна ідэальны, у натуральных матэрыялах не назіраецца ніякіх дэфектаў.

Навукоўцы лічаць, што яны змогуць не толькі цвёрда кантраляваць становішча груп атамаў у сваім "светлавым крышталі", але і актыўна ўплываць на паводзіны асобных атамаў з дапамогай іншага лазера (блізкага інфрачырвонага дыяпазону). Яны прымусяць іх, напрыклад, па запыце выпраменьваць пэўную энергію - нават адзін фатон, які, быўшы выдаленым з аднаго месца крышталя, зможа ўздзейнічаць на атам, захоплены ў іншым. Гэта будзе своеасаблівы просты абмен інфармацыяй.

Здольнасць хутка вызваляць фатон кантраляванай выявай і перадаваць яго з малымі стратамі ад аднаго атама да іншага з'яўляецца важным этапам апрацоўкі інфармацыі для квантавых вылічэнняў. Можна ўявіць сабе выкарыстанне цэлых масіваў кіраваных фатонаў для выканання вельмі складаных вылічэнняў – значна хутчэй, чым пры выкарыстанні сучасных кампутараў. Атамы, убудаваныя ў штучны крышталь, таксама маглі пераскокваць з аднаго месца на іншае. У гэтым выпадку яны самі сталі б носьбітамі інфармацыі ў квантавым кампутары ці маглі б стварыць квантавы сэнсар.

Навукоўцы ўсталявалі, што атамы рубідыя ідэальна падыходзяць для сваіх мэт. Аднак атамы барыю, кальцыя ці цэзію таксама могуць быць захопленыя штучным лазерным крышталем, паколькі яны валодаюць падобнымі ўзроўнямі энергіі. Каб зрабіць прапанаваны метаматэрыял у рэальным эксперыменце, даследчай групе давядзецца захапіць некалькі атамаў у штучную крышталічную рашотку і ўтрымліваць іх там нават пры ўзбуджэнні да больш высокіх энергетычных станаў.

Віртуальная рэальнасць без аптычных дэфектаў

Метаматэрыялы маглі б знайсці карыснае прымяненне і ў іншай развіваецца вобласці тэхнікі. Віртуальная рэальнасць мае мноства розных абмежаванняў. Істотную ролю гуляюць вядомыя нам недасканаласці оптыкі. Дасканалую аптычную сістэму пабудаваць практычна немагчыма, таму што заўсёды ёсць так званыя аберацыі, г.зн. скажэнні хваль, выкліканыя рознымі фактарамі. Нам вядомыя сферычныя і храматычныя аберацыі, астыгматызм, кома і многія-многія іншыя неспрыяльныя эфекты оптыкі. Той, хто выкарыстоўваў наборы віртуальнай рэальнасці, напэўна меў справу з гэтымі з'явамі. Немагчыма спраектаваць оптыку для ВР, якая была б лёгкай, прайгравала якасны малюнак, не мела б бачнай вясёлкі (храматычных аберацый), давала б вялікае поле зроку і была б таннай. Гэта проста нерэальна.

Менавіта таму вытворцы VR-абсталявання – Oculus і HTC – выкарыстоўваюць так званыя Лінзы Фрэнэля. Гэта дазваляе атрымаць значна меншую вагу, ухіліць храматычныя аберацыі і атрымаць адносна невысокі кошт (матэрыял для вытворчасці такіх лінзаў танных). Нажаль, святлапраламляльныя кольцы выклікаюць w Лінзы Фрэнэля значнае падзенне кантраснасці і стварэнне цэнтрабежнага свячэння, што асабліва заўважна там, дзе сцэна мае высокую кантраснасць (чорны фон).

Аднак нядаўна навукоўцам з Гарвардскага ўніверсітэта на чале з Федэрыка Капасо атрымалася распрацаваць тонкая і плоская лінза з выкарыстаннем метаматэрыялаў. Пласт нанаструктуры на шкле танчэй чалавечага воласа (0,002 мм). Ён не толькі не мае тыповых недахопаў, але і забяспечвае значна лепшую якасць выявы, чым дарагія аптычныя сістэмы.

Лінза Капасо, у адрозненне ад тыповых выпуклых лінзаў, скрыўляльных і рассейвалых святло, змяняе ўласцівасці светлавой хвалі за кошт выступоўцаў з паверхні мікраскапічных структур, напыленых на кварцавае шкло. Кожны такі выступ па-рознаму пераламляе святло, мяняючы яго кірунак. Таму важна правільна размеркаваць такую ​​нанаструктуру (узор), якая спраектавана на кампутары і выраблена з выкарыстаннем метадаў, аналагічных кампутарным працэсарам. Гэта азначае, што гэты тып лінзаў можа вырабляцца на тых жа заводах, што і раней, з выкарыстаннем вядомых тэхналагічных працэсаў. Дыяксід тытана выкарыстоўваецца для напылення.

Варта згадаць яшчэ адно інавацыйнае рашэнне "метаоптыкі". гіперлінзы з метаматэрыялу, зроблены ў Амерыканскім універсітэце Бафала. Першыя версіі гіперлінз былі зроблены са срэбра і дыэлектрычнага матэрыялу, але працавалі яны толькі ў вельмі вузкім дыяпазоне даўжынь хваль. Навукоўцы Бафала выкарыстоўвалі канцэнтрычнае размяшчэнне залатых стрыжняў у корпусе з тэрмапластыка. Ён працуе ў дыяпазоне хваль бачнага святла. Даследнікі ілюструюць павелічэнне дазволу ў выніку выкарыстання новага рашэння на прыкладзе медыцынскага эндаскопа. Звычайна ён распазнае аб'екты да 10 250. нанаметраў, а пасля ўстаноўкі гіперлінз "апускаецца" да XNUMX нанаметраў. У канструкцыі пераадольваецца праблема дыфракцыі, з'явы, значна які зніжае адрознівальная здольнасць аптычных сістэм – замест хвалевых скажэнняў яны пераўтворацца ў хвалі, якія можна рэгістраваць у наступных аптычных прыладах.

Паводле публікацыі ў Nature Communications, гэты метад можа быць скарыстаны ў шматлікіх абласцях, ад медыцыны да пры назіраннях за асобнымі малекуламі. Дарэчы дачакацца канкрэтных прылад на аснове метаматэрыялаў. Магчыма, яны дазволяць віртуальнай рэальнасці нарэшце дабіцца сапраўднага поспеху. Што да аптычных кампутараў, то гэта пакуль даволі далёкія і імглістыя далягляды. Аднак нічога нельга выключаць…