Undersøgelse åbner en ny vej til at opnå usynlighed uden brug af metamaterialer

Et par forskere ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) beskriver en måde at få en cylinder i submikronstørrelse til at forsvinde uden brug af specialiseret belægning. Deres fund kan muliggøre usynlighed for naturlige materialer ved optisk frekvens og i sidste ende føre til en enklere måde at forbedre optoelektroniske enheder, herunder sensing- og kommunikationsteknologier.

At gøre objekter usynlige er ikke længere fantasi, men en videnskab, der udvikler sig hurtigt. 'Usynlighedskapper' ved hjælp af metamaterialer - konstruerede materialer, der kan bøje lysstråler rundt om et objekt for at gøre det umuligt at opdage - eksisterer nu, og begynder at blive brugt til at forbedre ydeevnen for satellitantenner og sensorer. Mange af de foreslåede metamaterialer fungerer imidlertid kun ved begrænsede bølgelængdeområder, såsom mikrobølgefrekvenser.

Nu, Kotaro Kajikawa og Yusuke Kobayashi fra Tokyo Techs afdeling for elektrisk og elektronisk teknik rapporterer en måde at gøre en cylinder usynlig uden en kappe til monokromatisk belysning ved optisk frekvens - et bredere spektrum af bølgelængder, herunder dem, der er synlige for det menneskelige øje.

De undersøgte først, hvad der sker, når en lysbølge rammer en imaginær cylinder med en uendelig længde. Baseret på en klassisk elektromagnetisk teori kaldet Mie -spredning, de visualiserede forholdet mellem cylinderens lysspredningseffektivitet og brydningsindekset. De ledte efter en region, der angiver meget lav spredningseffektivitet, som de vidste ville svare til cylinderens usynlighed.

Efter at have identificeret en passende region, de fastslog, at usynlighed ville forekomme, når cylinderens brydningsindeks varierer fra 2,7 til 3,8. Nogle nyttige naturmaterialer falder inden for dette område, såsom silicium (Si), aluminium arsenid (AlAs) og germanium arsenid (GaAs), som normalt bruges i halvlederteknologi.

Dermed, i modsætning til de vanskelige og dyre fremstillingsprocedurer, der ofte er forbundet med eksotiske metamaterialbelægninger, den nye tilgang kunne give en meget enklere måde at opnå usynlighed på.

Forskerne brugte numerisk modellering baseret på metoden Finite-Difference Time-Domain (FDTD) til at bekræfte betingelserne for at opnå usynlighed. (Se figur/animation.) Ved at se nærmere på magnetfeltprofilerne, de udledte, at "usynligheden stammer fra annullering af dipolerne, der genereres i cylinderen."

Selvom strenge beregninger af spredningseffektivitet hidtil kun har været muligt for cylindre og kugler, Kajikawa bemærker, at der er planer om at teste andre strukturer, men disse ville kræve meget mere computerkraft.

For at verificere de nuværende fund i praksis, det burde være relativt let at udføre forsøg med små cylindre fremstillet af silicium og germanium arsenid. Kajikawa siger:"Vi håber at samarbejde med forskningsgrupper, der nu fokuserer på sådanne nanostrukturer. Derefter, det næste trin ville være at designe nye optiske enheder. "

Potentielle optoelektroniske applikationer kan omfatte nye slags detektorer og sensorer til medicinsk og rumfartsindustrien.