At opnå usynlighed:Usynlighed på tværs af bølgelængder integreret med usynlighedstaktik

Usynlighed er en overlegen selvbeskyttelsesstrategi af langvarig interesse i den akademiske verden og industrien, selvom konceptet indtil videre er mest populært i science fiction. I en ny rapport vedr Videnskabens fremskridt , Su Xu og kolleger inden for teknik, nanoteknologi, nanobionik og kvanteinformation i Kina var inspireret af det naturlige økologiske forhold mellem gennemsigtige oceaniske dyr og deres rovdyr, der anvender en krydsbølgelængdedetektionsstrategi. Forskerne foreslog et nyt koncept for usynlighed på tværs af bølgelængder, der integrerede en række usynlighedstaktikker. De præsenterede en boolsk metamaterialedesignstrategi for at afbalancere divergerende materialekrav på tværs af bølgelængder på tværs. Som proof of concept, de demonstrerede samtidig langbølget cloaking og kortbølgegennemsigtighed ved hjælp af en nanoimprinting-teknik. Arbejdet udvidede stealth-teknikker fra individuelle strategier for usynlighed rettet mod et enkelt-bølgelængdespektrum til integreret usynlighedsmålretning på tværs af bølgelængder. Disse eksperimenter vil bane vejen for at udvikle integrerede metadevices på tværs af bølgelængder.

At blive gennemsigtig

At tillade passage af lys gennem kroppen er en overlegen selvforsvarsstrategi i havet for midtvandsorganismer. For eksempel, amphipod krebsdyret Cystisoma er for det meste gennemsigtigt bortset fra nogle nødvendige organer, herunder øjne, for at undgå påvisning af rovdyr. Imidlertid, nogle få rovdyr kan stadig opdage og med succes angribe gennemsigtigt bytte på grund af deres tværspektrale syn. Hvis byttet kunne skjule sig fuldstændigt ved at balancere bytte-rovdyr-interaktionen for at overvinde rovdyrs tværspektrale syn, deres overlevelsesrater vil være meget højere. Xu et al. blev bioinspireret af dette økologiske forhold, da de foreslog et koncept om usynlighed på tværs af bølgelængder, der samtidig integrerede langbølgetilsløring og kortbølgegennemsigtighed. Den nye strategi supplerer eksisterende mainstream-strategier med kamæleonlignende adaptiv camouflage og den bølgeomgående usynlighedskappe. I dette arbejde, videnskabsmænd bryder det eksisterende økologiske forhold ved at forsøge at skjule det gennemsigtige bytte for deres rovdyrs tværspektrale syn. Som resultat, denne filosofi om usynlighed vil være af betydning for praktiske stealth-teknologier.

Den her foreslåede strategi har til formål at realisere begreber, der hidtil har været forankret i science fiction. For eksempel, Xu et al. forestille sig, at deres usynlighedsfilosofi bidrager til udviklingen af ​​en futuristisk, gennemsigtige stealth-fly i laboratoriet, hvor piloter frit vil kunne se deres omgivelser uden registrering via mikrobølgeradarsystemet. Holdet konstruerede den eksperimentelle enhed ved hjælp af mikroskopiske sølv/nikkel-tråde for at sikre ekstrem lav optisk ledningsevne med nanoimprinting-fabrikation. Resultaterne viste en optisk gennemsigtighed fra 400 nm til 760 nm, og signifikant reduceret spredning i mikrobølgeregimet fra 6 til 10 GHz. Holdet kunne trænge ind i den gennemsigtige kappe med synligt lys (blå og gule stråler) med ubetydeligt tab, giver den interne iagttager mulighed for frit at se udenfor. Holdet konstruerede den optisk gennemsigtige mikrobølgeusynlighedskappe med to metaoverflader påtrykt fleksible polyethylenterephthalat (PET) film og isoleret af en buet PET afstandsholder. Det indre lag af metasoverfladen fungerede som en perfekt elastisk leder (PEC) grænse, mens eksterne ringresonatorer på metaoverfladen gav korrekt fasekompensation og amplitudebevarelseseffekter.

Konstruere den elektromagnetiske respons og udvikle den optisk gennemsigtige mikrobølgekappe

Xu et al. konstruerede den elektromagnetiske respons for mikrobølgeusynlighed i henhold til den generaliserede Snells lov og brugte otte slags ringresonatorer til at bygge kappen. At designe enhedsceller alene til mikrobølgeusynlighed var utilstrækkeligt til at realisere usynlighed på tværs af bølgelængder. Derfor, holdet vedtog en boolsk metamateriale-designstrategi for at fusionere metastrukturer for at opnå integreret enkeltbåndsfunktionalitet. For at opnå dette, de integrerede metastrukturerne for mikrobølgeregimet og det synlige regime ved at anvende en boolsk logisk multiplikation (betegnet med ∧ eller AND) i et integreret kredsløb. De integrerede metastrukturer var lig med det makroskopiske metalliske netværk dannet af kortlagte mikroskopiske metaltråde, der udviser en ekstrem høj lokal elektrisk ledningsevne, samtidig med at en ekstremt lav global optisk ledningsevne bevares.

For at konstruere den optisk gennemsigtige mikrobølgekappe, holdet valgte en avanceret nanoimprinting-teknik, der gav en metasurface med stort areal til at skjule makroskopiske objekter og muliggøre højpræcisionsfremstilling af de mikroskopiske metaltråde i mikroskala. De udførte optisk karakterisering af det ydre lag ved hjælp af scanning elektronmikroskopi (SEM). Forskerne udviklede omridset af den mikroskopiske ringresonator med metalliske cirkulære ledninger og orienterede flere kortsluttende ledninger langs den radiale retning for at forbinde de cirkulære metalledninger. Holdet gennemførte en felttest for eksperimentelt at bevise det optiske gennemsigtige syn af den optisk gennemsigtige kappe sammenlignet med direkte observationer uden kappen for at give brugeren mulighed for at se gennem kappen med minimal forvrængning.

Stealth teknologi

Forskerne viste eksperimentelt mikrobølgetilsløringsevnen under tværgående elektrisk (TE) og tværgående magnetisk (TM) polariseret forekomst og undersøgte den totale spredningsreduktion af prøven over forskellige frekvenser. Fasen og amplituden af ​​bølgen, der reflekteres fra kappen, var meget som bølgen, der reflekteres fra jordplanet, forårsager væsentlig reduktion af den samlede spredning. På denne måde kappen mindskede den totale spredning af objektet ud over frekvensområdet fra 6 til 10 GHz. Resultaterne viste opnåelse af krydsbølgelængdeusynlighed med bevaret amplitude og uforvrænget fase ved mikrobølgefrekvenser, sideløbende med omnidirektionel gennemsigtighed på tværs af det synlige spektrum. Sammenlignet med tæppekapper udviklet i fortiden, dette arbejde præsenterede en eksperimentel demonstration for at opnå usynlighed på tværs af bølgelængderegioner ved at kombinere flere usynlighedsskemaer. Den stealth-teknologi, der er beskrevet her, vil være mere tilgængelig med avancerede nanofabrikationsteknologier.

Ved at kombinere langbølget tilsløring og kortbølgegennemsigtighed i dette arbejde, Su Xu og kolleger lod øjnene på et stealth-system klart observere den ydre verden, mens den forbliver uopdaget. Sammenlignet med eksisterende metoder til elektromagnetisk bølgekontrol, det boolske metamateriale-design gav en strategi til at kombinere forskellige usynlighedsstrategier til usynlighedsintegration på tværs af bølgelængder. Arbejdet omfatter integrerede logiske kredsløb og baner vejen for at realisere multifunktionelle eller multifysiske enheder inden for kompakte dimensioner.

© 2020 Science X Network