In Star Trek IV: The Voyage Home legt de bemanning van de Enterprise een Klingon-gevechtskruiser vast. In tegenstelling tot de schepen van de Federatie Starfleet, zijn de schepen van het Klingon Rijk uitgerust met een geheim "verhul apparaat" dat ze onzichtbaar kan maken voor het oog en de radar. Met dit apparaat kunnen Klingon-schepen onopgemerkt achter de schepen van de Federatie blijven en straffeloos toeslaan. Dankzij het verhul apparaat heeft het Klingon-rijk een strategisch voordeel ten opzichte van de Federatie van Planeten.
Is zo'n apparaat echt mogelijk? Onzichtbaarheid is lang een van de gebruikelijke wonderen van sciencefiction- en fantasiewerken geworden - van "The Invisible Man" tot de magische onzichtbaarheidsmantel van Harry Potter of de ring uit "The Lord of the Rings". Desalniettemin hebben natuurkundigen al minstens honderd jaar unaniem de mogelijkheid ontkend om onzichtbaarheidsmantels te creëren en ondubbelzinnig verklaard dat dit onmogelijk is: mantels, zo zeggen ze, schenden de wetten van de optica en zijn het niet eens met de bekende eigenschappen van materie.
Maar vandaag kan het onmogelijke mogelijk worden. Vooruitgang op het gebied van "metamaterialen" dwingt tot een aanzienlijke herziening van optische leerboeken. Werkmonsters van dergelijke materialen die in het laboratorium zijn gemaakt, zijn van groot belang voor de media, industriëlen en het leger; iedereen is geïnteresseerd in hoe het zichtbare onzichtbaar kan worden gemaakt.
Onzichtbaarheid in de geschiedenis
Onzichtbaarheid is misschien wel een van de oudste concepten in de oude mythologie. Sinds het begin der tijden voelde een man, alleen gelaten in de beangstigende stilte van de nacht, de aanwezigheid van onzichtbare wezens en was hij bang voor hen. Overal om hem heen in de duisternis loerden de geesten van de doden - de zielen van degenen die hem waren voorgegaan. De Griekse held Perseus, gewapend met een onzichtbare helm, slaagde erin de kwade gorgon Medusa te doden. Generaals aller tijden droomden van een verhul apparaat waarmee ze onzichtbaar zouden worden voor de vijand. Met behulp van onzichtbaarheid kon men gemakkelijk de verdedigingslinie van de vijand binnendringen en hem verrassen. Criminelen zouden onzichtbaarheid kunnen gebruiken om gewaagde overvallen te plegen.
In Plato's theorie van ethiek en moraliteit speelde onzichtbaarheid een grote rol. In zijn filosofische werk "The State" vertelde Plato ons de mythe van de Giga-ring. In deze mythe gaat de arme maar eerlijke herder Gigus van Lydia een geheime grot binnen en vindt daar een graf; hij ziet een gouden ring aan de vinger van het lijk. Gig ontdekt verder dat de ring magische krachten heeft en deze onzichtbaar kan maken. De arme herder is letterlijk dronken van de kracht die de ring hem heeft gegeven. Nadat hij het koninklijk paleis is binnengegaan, verleidt Gigus de koningin met een ring, en met haar hulp doodt hij de koning en wordt hij de volgende koning van Lydia.
De moraal die Plato uit dit verhaal heeft afgeleid, is dat niemand de verleiding kan weerstaan om die van iemand anders te nemen en ongestraft te doden. Mensen zijn zwak, en moraliteit is een sociaal fenomeen dat van buitenaf moet worden geïmplanteerd en ondersteund. In het openbaar kan iemand morele maatstaven naleven om er fatsoenlijk en eerlijk uit te zien en zijn eigen reputatie te behouden, maar als je hem de kans geeft om onzichtbaar te worden, zal hij niet kunnen weerstaan en zal hij zeker zijn nieuwe macht gebruiken. (Sommigen geloven dat deze morele gelijkenis de inspiratiebron was voor JRR Tolkiens The Lord of the Rings-trilogie; de ring die de eigenaar onzichtbaar maakt, is ook een bron van kwaad.)
Promotie video:
In sciencefiction is onzichtbaarheid een van de meest voorkomende plotaandrijvingen. In de stripreeks uit de jaren dertig. "Flash Gordon" Flash wordt onzichtbaar om zich te verbergen voor het vuurpeloton van de gemene Ming the Ruthless. In de romans en films over Harry Potter kan de hoofdpersoon, die een magische mantel aantrekt, ongemerkt door Kasteel Zweinstein dwalen.
H. G. Wells heeft in de klassieke roman The Invisible Man ongeveer dezelfde ideeën in concrete vorm belichaamd. In deze roman ontdekt een geneeskundestudent per ongeluk de mogelijkheden van de vierde dimensie en wordt hij onzichtbaar. Helaas gebruikt hij de verkregen fantastische kansen voor persoonlijk gewin, begaat hij een hele reeks kleine misdrijven en sterft uiteindelijk in een wanhopige poging om aan de politie te ontsnappen.
Maxwell's vergelijkingen en het mysterie van licht
Natuurkundigen hebben relatief recent een duidelijk begrip gekregen van de wetten van de optica als resultaat van het werk van de Schot James Clerk Maxwell, een van de reuzen van de natuurkunde in de 19e eeuw. In zekere zin was Maxwell het tegenovergestelde van Faraday. Als Faraday een uitstekend gevoel had voor de experimentator, maar geen formele opleiding had genoten, dan was zijn tijdgenoot Maxwell een meester in de hogere wiskunde. Hij voltooide zijn opleiding in wiskundige natuurkunde cum laude in Cambridge, waar Isaac Newton twee eeuwen voor hem werkte.
Newton heeft differentiaalrekening uitgevonden - het beschrijft in de taal van differentiaalvergelijkingen hoe objecten continu oneindig kleine veranderingen in tijd en ruimte ondergaan. De beweging van oceaangolven, vloeistoffen, gassen en kanonskogels kan allemaal worden beschreven in termen van differentiaalvergelijkingen. Maxwell begon te werken met een duidelijk doel voor ogen: Faraday's revolutionaire ontdekkingen en zijn fysieke velden uitdrukken met behulp van nauwkeurige differentiaalvergelijkingen.
Maxwell begon met de bewering van Faraday dat elektrische velden magnetisch kunnen worden en vice versa. Hij nam foto's van fysieke velden getekend door Faraday en schreef ze op in de exacte taal van differentiaalvergelijkingen. Als resultaat werd een van de belangrijkste stelsels van vergelijkingen in de moderne wetenschap verkregen. Dit is een systeem van acht differentiaalvergelijkingen van een nogal griezelig soort. Elke natuurkundige en ingenieur in de wereld moest ooit over hen zweten en het elektromagnetisme op het instituut beheersen.
Verder stelde Maxwell zichzelf een noodlottige vraag: als een magnetisch veld kan veranderen in een elektrisch veld en vice versa, wat gebeurt er dan als ze constant van het ene naar het andere veranderen in een eindeloze reeks transformaties? Maxwell ontdekte dat een dergelijk elektromagnetisch veld een oceaanachtige golf zou opwekken. Hij berekende de bewegingssnelheid van dergelijke golven en ontdekte tot zijn eigen verbazing dat deze gelijk was aan de snelheid van het licht! Nadat hij dit feit had ontdekt, schreef hij in 1864 profetisch: "Deze snelheid ligt zo dicht bij de lichtsnelheid dat we alle reden lijken te hebben om te concluderen dat licht zelf … een elektromagnetische storing is."
Deze ontdekking werd misschien een van de grootste in de geschiedenis van de mensheid - het geheim van het licht werd eindelijk onthuld! Maxwell realiseerde zich plotseling dat alles - de gloed van de zomerzonsopgang en de woeste stralen van de ondergaande zon, en de oogverblindende kleuren van de regenboog en de sterren aan de nachtelijke hemel - beschreven kan worden met golven, die hij terloops op een stuk papier afbeeldde. Tegenwoordig begrijpen we dat het hele elektromagnetische spectrum: radarsignalen, microgolfstraling en televisiegolven, infrarood, zichtbaar en ultraviolet licht, röntgenstralen en gammastralen niets meer zijn dan Maxwelliaans water; en deze vertegenwoordigen op hun beurt de trillingen van de fysieke velden van Faraday.
Sprekend over de betekenis van Maxwell's vergelijkingen, schreef Einstein dat dit "het meest diepgaande en vruchtbare dat de natuurkunde heeft meegemaakt sinds de tijd van Newton".
(Tragisch genoeg stierf Maxwell, een van de grootste natuurkundigen van de 19e eeuw, jong genoeg, op 48-jarige leeftijd, aan maagkanker - waarschijnlijk dezelfde ziekte die zijn moeder op die leeftijd doodde. Als hij langer leefde, was hij er misschien in geslaagd zou ontdekken dat zijn vergelijkingen het mogelijk maakten dat ruimte-tijd werd vervormd, wat rechtstreeks leidde tot Einsteins relativiteitstheorie. Het idee dat als Maxwell langer had geleefd en de relativiteitstheorie had kunnen ontstaan tijdens de Amerikaanse Burgeroorlog, is tot in de kern schokkend.)
Maxwell's lichttheorie en de atomaire theorie van de structuur van materie geven optica en onzichtbaarheid een eenvoudige verklaring. In een vaste stof zijn atomen dicht opeengepakt, terwijl in een vloeistof of gas de afstand tussen moleculen veel groter is. De meeste vaste stoffen zijn ondoorzichtig, omdat lichtstralen niet door een dichte reeks atomen kunnen gaan, die als een bakstenen muur fungeren. Veel vloeistoffen en gassen daarentegen zijn transparant, omdat het licht gemakkelijker tussen zeldzame atomen kan passeren, waarvan de afstand groter is dan de golflengte van zichtbaar licht. Water, alcohol, ammoniak, aceton, waterstofperoxide, benzine en andere vloeistoffen zijn bijvoorbeeld transparant, evenals transparant en gassen zoals zuurstof, waterstof, stikstof, kooldioxide, methaan, enz.
Er zijn een aantal belangrijke uitzonderingen op deze regel. Veel kristallen zijn zowel stevig als transparant. Maar de atomen in het kristal bevinden zich op de plaatsen van een regelmatig ruimtelijk rooster en vormen regelmatige rijen met gelijke intervallen ertussen. Hierdoor zijn er altijd veel paden in het kristalrooster waarlangs een lichtstraal er doorheen kan gaan. Daarom, hoewel de atomen in een kristal niet minder dicht opeengepakt zijn dan in enige andere vaste stof, kan licht er toch doorheen dringen.
Onder bepaalde omstandigheden kan zelfs een vast object met atomen met een willekeurige tussenruimte transparant worden. Voor sommige materialen kan dit effect worden bereikt door het object tot een hoge temperatuur te verwarmen en het vervolgens snel af te koelen. Glas is bijvoorbeeld een vaste stof die door de willekeurige ordening van atomen veel van de eigenschappen van een vloeistof heeft. Sommige snoepjes kunnen op deze manier ook transparant worden gemaakt.
Het is duidelijk dat de onzichtbaarheidseigenschap zich voordoet op atomair niveau, volgens de vergelijkingen van Maxwell, en daarom is het buitengewoon moeilijk, zo niet onmogelijk, om het te reproduceren met behulp van conventionele methoden. Om Harry Potter onzichtbaar te maken, moet hij worden geliquideerd, gekookt en omgezet in stoom, gekristalliseerd, verwarmd en gekoeld - je moet het ermee eens zijn, al deze acties zouden zelfs voor een tovenaar erg moeilijk zijn.
Het leger, dat niet in staat was om onzichtbare vliegtuigen te bouwen, probeerde iets eenvoudiger te doen: ze creëerden de stele-technologie, die vliegtuigen onzichtbaar maakt voor radars. Stele-technologie, gebaseerd op de vergelijkingen van Maxwell, voert een reeks trucs uit. De stele straaljager is gemakkelijk te zien met het blote oog, maar op het radarscherm van de vijand is het beeld ongeveer zo groot als een grote vogel. (Stele-technologie is in feite een combinatie van verschillende totaal verschillende trucs. Waar mogelijk worden de constructiematerialen van de jager vervangen door radartransparante: in plaats van staal worden verschillende kunststoffen en harsen gebruikt; de hoeken van de romp veranderen; het ontwerp van de motormondstukken, enz. al deze trucs kunnen worden gemaakt als de radarstraal van de vijand het vliegtuig raakt,verstrooi in alle richtingen en keer niet terug naar het ontvangende apparaat. Maar zelfs met deze technologie wordt de jager niet helemaal onzichtbaar; het buigt en verstrooit de radarstraal gewoon zoveel als technisch mogelijk is.)
Metamaterialen en onzichtbaarheid
Misschien wel de meest veelbelovende recente vooruitgang in onzichtbaarheid is een exotisch nieuw materiaal dat bekend staat als "metamateriaal"; het is mogelijk dat hij ooit objecten werkelijk onzichtbaar zal maken. Het is grappig, maar ooit werd het bestaan van metamaterialen ook als onmogelijk beschouwd, omdat ze de wetten van de optica schenden. Maar in 2006 weerlegden onderzoekers van Duke University in Durham, North Carolina en Imperial College London deze conventionele wijsheid met succes en maakten het object onzichtbaar voor microgolfstraling met behulp van metamaterialen. Er zijn nog genoeg obstakels op dit pad, maar voor het eerst in de geschiedenis heeft de mensheid een techniek die het mogelijk maakt om gewone voorwerpen onzichtbaar te maken. (Dit onderzoek werd gefinancierd door DARPA, het Defense Advanced Research Projects Agency.)
Nathan Myhrvold, voormalig hoofdtechnoloog bij Microsoft, stelt dat de revolutionaire kracht van metamaterialen "de manier waarop we optica en bijna elk aspect van elektronica benaderen volledig zal veranderen … Sommige metamaterialen zijn in staat tot prestaties die decennia geleden op wonderen leken."
Wat zijn metamaterialen? Dit zijn stoffen met optische eigenschappen die in de natuur niet voorkomen. Wanneer metamaterialen worden gemaakt, worden kleine implantaten in de materie geïmplanteerd, waardoor elektromagnetische golven worden gedwongen om niet-standaard paden te nemen. Aan de Duke University hebben wetenschappers veel kleine elektrische circuits ingebed in koperen tapes die in platte concentrische cirkels zijn gelegd (allemaal een beetje als een kookplaat). Het resultaat is een complexe structuur gemaakt van keramiek, teflon, composietvezels en metalen componenten. Kleine implantaten in koper maken het mogelijk microgolfstraling af te buigen en langs een vooraf bepaald pad te richten. Stel je een rivier voor die om een rotsblok stroomt. Het water draait heel snel rond de steendaarom heeft zijn aanwezigheid stroomafwaarts geen enkele invloed en is het onmogelijk om het te onthullen. Evenzo zijn metamaterialen in staat om de route van microgolven continu te veranderen, zodat ze bijvoorbeeld rond een bepaalde cilinder stromen en zo alles in deze cilinder onzichtbaar maken voor radiogolven. Als het metamateriaal ook alle reflecties en schaduwen kan elimineren, dan wordt het object volledig onzichtbaar voor deze vorm van straling.
Wetenschappers hebben dit principe met succes gedemonstreerd met een apparaat dat bestaat uit tien glasvezelringen bedekt met koperen elementen. De koperen ring in het apparaat was bijna onzichtbaar voor microgolfstraling; het wierp slechts een vage schaduw.
De ongebruikelijke eigenschappen van metamaterialen zijn gebaseerd op hun vermogen om een parameter te regelen die bekend staat als de "brekingsindex". Breking - de eigenschap van licht om de voortplantingsrichting te veranderen wanneer het door een transparant materiaal gaat. Als je je hand in water steekt of gewoon door de lenzen van je bril kijkt, zul je merken dat water en glas het pad van gewone lichtstralen afbuigen en vervormen.
De reden voor de afbuiging van een lichtstraal in glas of water is dat het licht langzamer gaat naarmate het een dicht transparant materiaal binnendringt. De lichtsnelheid in een ideaal vacuüm is constant, maar in glas of water "perst" licht zich door een cluster van triljoenen atomen en vertraagt het daardoor. (De verhouding van de lichtsnelheid in een vacuüm tot de lichtsnelheid in een medium wordt de brekingsindex genoemd. Omdat licht in elk medium vertraagt, is de brekingsindex altijd groter dan één.) De brekingsindex voor een vacuüm is bijvoorbeeld 1,00; voor lucht -1.0003; voor glas-1.5; voor een diamant-2.4. In de regel geldt dat hoe dichter het medium is, hoe meer het de lichtbundel afbuigt en, dienovereenkomstig, hoe hoger de brekingsindex.
Luchtspiegelingen kunnen dienen als een zeer duidelijke demonstratie van de verschijnselen die verband houden met breking. Als je op een warme dag langs de snelweg rijdt en recht vooruit naar de horizon kijkt, dan zal de weg je op sommige plaatsen glinsteren en de illusie wekken van een sprankelend wateroppervlak. In de woestijn zie je soms de contouren van verre steden en bergen aan de horizon. Dit gebeurt omdat de lucht die boven het wegdek of woestijnzand wordt verwarmd een lagere dichtheid heeft en bijgevolg een lagere brekingsindex dan de omringende gewone, koelere lucht; daarom kan licht van verre objecten worden gebroken in een verwarmde luchtlaag en vervolgens het oog binnendringen; dit geeft je de illusie dat je echt verre objecten ziet.
In de regel is de brekingsindex een constante waarde. Een smalle lichtstraal die door het glas dringt, verandert van richting en blijft dan in een rechte lijn bewegen. Maar stel dat we in staat zijn om de brekingsindex zo te regelen dat het op elk punt van het glas constant op een bepaalde manier kan veranderen, dan zou licht, dat in zo'n nieuw materiaal beweegt, willekeurig van richting kunnen veranderen; het pad van de straal in deze omgeving zou meanderen als een slang.
Als het mogelijk was om de brekingsindex in een metamateriaal zo te sturen dat het licht om een bepaald object buigt, dan wordt dit object onzichtbaar. Om een dergelijk effect te verkrijgen, moet de brekingsindex in een metamateriaal negatief zijn, maar elk leerboek over optica zegt dat dit onmogelijk is, (Metamaterialen werden voor het eerst theoretisch voorspeld in het werk van de Sovjetfysicus Viktor Veselago in 1967. Het was Veselago die aantoonde dat deze materialen zulke ongebruikelijke optische eigenschappen moeten hebben als een negatieve brekingsindex en het omgekeerde Doppler-effect. Metamaterialen lijken zo vreemd en zelfs absurd dat ze in eerste instantie hun praktische implementatie werd simpelweg als onmogelijk beschouwd. De laatste jaren zijn er echter metamaterialen verkregen in het laboratorium, waardoor natuurkundigen gedwongen werden om leerboeken over optica te herschrijven.)
Onderzoekers die met metamaterialen te maken hebben, ergeren zich voortdurend aan journalisten met de vraag: wanneer verschijnen er eindelijk onzichtbaarheidsmantels op de markt? Het antwoord is heel eenvoudig te formuleren: niet snel.
David Smith van Duke University zegt: “Verslaggevers bellen en smeken om tenminste een deadline. Over hoeveel maanden of bijvoorbeeld jaren zal het gebeuren. Ze drukken, drukken en drukken, en uiteindelijk kun je het niet uitstaan om dat over vijftien jaar te zeggen. En daar - een krantenkop, toch? Vijftien jaar voor de mantel van Harry Potter. Daarom weigert hij nu nog datums te noemen.
Fans van Harry Potter of Star Trek zullen waarschijnlijk moeten wachten. Hoewel de echte onzichtbaarheidsmantel niet langer in tegenspraak is met de bekende natuurwetten - en de meeste natuurkundigen zijn het hier op dit moment mee eens - moeten wetenschappers nog veel moeilijke technische obstakels overwinnen voordat deze technologie kan worden uitgebreid om met zichtbaar licht te werken, en niet alleen met microgolven. straling.
In het algemeen dienen de afmetingen van de interne structuren ingebed in het metamateriaal kleiner te zijn dan de stralingsgolflengte. Microgolven kunnen bijvoorbeeld een golflengte hebben in de orde van grootte van 3 cm, dus als we willen dat het metamateriaal het pad van de microgolven buigt, moeten we er implantaten in plaatsen die kleiner zijn dan 3 cm, maar om het object onzichtbaar te maken voor groen licht (met een golflengte van 500 nm), het metamateriaal zou ingebedde structuren moeten hebben van slechts ongeveer 50 nm lang. Maar nanometers zijn al een atomaire schaal, en nanotechnologie is nodig om met dergelijke afmetingen te werken. (Een nanometer is een miljardste van een meter. Een nanometer kan ongeveer vijf atomen bevatten.) Misschien is dit het belangrijkste probleem waarmee we te maken zullen krijgen bij het maken van een echte onzichtbaarheidsmantel. Naar believen buigen, als een slang, het pad van een lichtstraal,we zouden individuele atomen binnen het metamateriaal moeten aanpassen.
Metamaterialen voor zichtbaar licht
Dus de race begon.
Direct na de aankondiging van de ontvangst van de eerste metamaterialen in het laboratorium, begon de koortsachtige activiteit in dit gebied. Elke paar maanden horen we over revolutionaire inzichten en verrassende doorbraken. Het doel is duidelijk: metamaterialen maken met behulp van nanotechnologie die niet alleen microgolven, maar ook zichtbaar licht kunnen buigen. Er zijn al verschillende benaderingen voorgesteld, en ze lijken allemaal veelbelovend.
Een van de voorstellen is om kant-en-klare methoden te gebruiken, dat wil zeggen om de gebruikte technologieën van de micro-elektronische industrie te lenen voor de productie van metamaterialen. De miniaturisatie van computers is bijvoorbeeld gebaseerd op de technologie van "fotolithografie"; het is ook de motor van de computerrevolutie. Met deze technologie kunnen ingenieurs honderden miljoenen kleine transistors op een siliciumwafel ter grootte van een miniatuur plaatsen.
De kracht van computers verdubbelt elke 18 maanden (dit patroon wordt de wet van Moore genoemd). Dit komt door het feit dat wetenschappers met behulp van ultraviolette straling steeds meer kleine componenten op siliciumchips "etsen". Deze technologie lijkt sterk op het proces waarbij een patroon op een kleurrijk T-shirt wordt gestencild. (Computeringenieurs beginnen met een dun substraat, waarop de fijnste lagen van verschillende materialen bovenop worden gelegd. Vervolgens wordt het substraat bedekt met een plastic masker dat als sjabloon fungeert. Het complexe patroon van geleiders, transistors en computercomponenten die de basis vormen van het schakelschema wordt vooraf op het masker aangebracht. Het werkstuk wordt bestraald met hard UV-licht dat wil zeggen blootgesteld aan ultraviolette straling met een zeer korte golflengte;deze straling brengt als het ware het patroon van de matrix over op een lichtgevoelig substraat. Vervolgens wordt het werkstuk behandeld met speciale gassen en zuren en wordt het complexe patroon van de matrix op het substraat geëtst op die plaatsen waar het werd blootgesteld aan ultraviolette straling. Het resultaat van dit proces is een plaat met honderden miljoenen kleine inkepingen die de circuits van de transistors vormen.) Momenteel zijn de kleinste componenten die kunnen worden gemaakt met het beschreven proces ongeveer 30 nm (of ongeveer 150 atomen). Het resultaat van dit proces is een plaat met honderden miljoenen kleine inkepingen die de circuits van de transistors vormen.) Momenteel zijn de kleinste componenten die kunnen worden gemaakt met het beschreven proces ongeveer 30 nm (of ongeveer 150 atomen). Het resultaat van dit proces is een plaat met honderden miljoenen kleine inkepingen die de circuits van de transistors vormen.) Momenteel zijn de kleinste componenten die kunnen worden gemaakt met het beschreven proces ongeveer 30 nm (of ongeveer 150 atomen).
Een opmerkelijke mijlpaal op weg naar onzichtbaarheid was een recent experiment van een groep wetenschappers uit Duitsland en het Amerikaanse ministerie van Energie, waarbij het proces van het etsen van een siliciumsubstraat werd gebruikt om het eerste metamateriaal te maken dat in staat was om in het zichtbare bereik van licht te werken. Begin 2007 kondigden wetenschappers aan dat het metamateriaal dat ze maakten rood licht beïnvloedde. Het "onmogelijke" werd in verrassend korte tijd geïmplementeerd.
Natuurkundige Costas Sukulis van Ames Laboratory en Iowa State University, samen met Stephan Linden, Martin Wegener en Gunnar Dolling van de Universiteit van Karlsruhe in Duitsland, slaagden erin een metamateriaal te creëren met een brekingsindex van -0,6 voor rood licht met een golflengte van 780 nm. (Voordien was het wereldrecord voor de golflengte van straling die was "omwikkeld" met een metamateriaal 1400 nm; dit is niet langer zichtbaar, maar infrarood licht.)
Om te beginnen namen de wetenschappers een glasplaat en brachten er een dun laagje zilver op aan, vervolgens een laag magnesiumfluoride en dan weer een laag zilver; zo werd een "sandwich" met fluoride met een dikte van slechts 100 nm verkregen. De wetenschappers gebruikten vervolgens standaard etstechnologie om veel kleine vierkante gaatjes in deze sandwich te maken (slechts 100 nm breed, veel minder dan de golflengte van rood licht); het resultaat is een roosterstructuur die doet denken aan een visnet. Daarna passeerden ze een straal rood licht door het resulterende materiaal en maten de brekingsindex, die -0,6 was.
De auteurs verwachten dat de technologie die ze hebben uitgevonden op grote schaal zal worden gebruikt. Metamaterialen "kunnen ooit leiden tot een soort platte superlens die in het zichtbare spectrum werken", zegt Dr. Sukulis. "Met deze lens kun je een hogere resolutie verkrijgen dan met traditionele technologie en kun je onderscheid maken tussen details die aanzienlijk kleiner zijn dan de golflengte van licht." Het is duidelijk dat een van de eerste toepassingen van een "superlens" zou zijn om microscopisch kleine objecten met een ongekende helderheid te fotograferen; we kunnen praten over fotograferen in een levende menselijke cel of over het diagnosticeren van ziekten van de foetus in de baarmoeder. Idealiter is het mogelijk om de componenten van een DNA-molecuul rechtstreeks te fotograferen, zonder het gebruik van ruwe röntgenkristallografietechnieken.
Tot dusver hebben wetenschappers alleen voor rood licht een negatieve brekingsindex kunnen aantonen. Maar de methode moet worden ontwikkeld, en de volgende stap is het maken van een metamateriaal dat de rode straal volledig rond het object zou kunnen omcirkelen, waardoor het onzichtbaar wordt voor rood licht.
Verdere ontwikkeling is ook te verwachten op het gebied van "fotonische kristallen". Het doel van fotonische kristaltechnologie is om een chip te maken die licht in plaats van elektriciteit gebruikt om informatie te verwerken. Het idee is om nanotechnologie te gebruiken om kleine componenten op het substraat te etsen, zodat de brekingsindex met elke component verandert. Transistors waarin licht werkt, hebben veel voordelen ten opzichte van elektronische. In fotonische kristallen is er bijvoorbeeld veel minder warmteverlies. (Complexe siliciumchips genereren voldoende warmte om een ei te bakken. Deze chips moeten continu worden gekoeld om te voorkomen dat ze falen, wat erg duur is.)
Het is niet verwonderlijk dat de technologie voor het produceren van fotonische kristallen ideaal zou moeten zijn voor metamaterialen, aangezien beide technologieën het manipuleren van de brekingsindex van licht op nanoschaal behelzen.
Onzichtbaarheid door plasmonics
Omdat ze niet door rivalen willen worden overtroffen, kondigde een andere groep natuurkundigen medio 2007 de creatie aan van een metamateriaal dat zichtbaar licht kan roteren, gebaseerd op een geheel andere technologie genaamd plasmonics. Natuurkundigen Henri Lesek, Jennifer Dionne en Harry Atwater van California Institute of Technology kondigden de creatie aan van een metamateriaal met een negatieve brekingsindex voor het meer complexe blauwgroene gebied van het zichtbare spectrum.
Het doel van plasmonics is om op deze manier licht te "persen", zodat objecten op nanoschaal kunnen worden gemanipuleerd, vooral op metalen oppervlakken. De reden voor de elektrische geleidbaarheid van metalen ligt in het feit dat elektronen in metaalatomen zwak gebonden zijn aan de kern en vrij kunnen bewegen langs het oppervlak van het metaalrooster. De elektriciteit die door de draden in uw huis loopt, is een vloeiende stroom van deze losjes gebonden elektronen over een metalen oppervlak. Maar onder bepaalde omstandigheden, wanneer een lichtstraal een metalen oppervlak raakt, kunnen elektronen in harmonie met het licht trillen. In dit geval verschijnen golfachtige bewegingen van elektronen op het oppervlak van het metaal (deze golven worden plasmonen genoemd) in de tijd met de oscillaties van het elektromagnetische veld boven het metaal. Wat nog belangrijker is, deze plasmonen kunnen worden "gecomprimeerd" zodat ze dezelfde frequentie hebben alsals de originele lichtstraal (wat betekent dat ze dezelfde informatie zullen dragen), maar een veel kortere golflengte. In principe kunnen deze samengeperste golven vervolgens in nanodraden worden geperst. Net als bij fotonische kristallen, is het uiteindelijke doel van plasmonics om computerchips te maken die op licht werken, niet op elektriciteit.
Een groep bij California Tech bouwde hun metamateriaal met twee lagen zilver en een isolatielaag van silicium-stikstof (slechts 50 nm dik) ertussen. Deze laag werkt als een "golfgeleider" die plasmongolven in de gewenste richting kan richten. Een laserstraal komt het apparaat binnen door een spleet in het metamateriaal; het passeert de golfgeleider en verlaat het vervolgens door de tweede spleet. Als je de hoeken analyseert waaronder een laserstraal wordt gebogen wanneer hij door een metamateriaal gaat, kun je vaststellen dat het materiaal een negatieve brekingsindex heeft voor licht met een bepaalde golflengte.
De toekomst van metamaterialen
Vooruitgang in de studie van metamaterialen in de toekomst zal versnellen om de simpele reden dat er al veel interesse is in het maken van transistors die werken op een lichtbundel in plaats van op elektriciteit. Daarom kan worden aangenomen dat onderzoek op het gebied van onzichtbaarheid in staat zal zijn om "rijdend te rijden", dwz gebruik te maken van de resultaten van reeds lopend onderzoek om een vervanging voor een siliciumchip te creëren met behulp van fotonische kristallen en plasmonics. Nu al worden honderden miljoenen dollars geïnvesteerd in de ontwikkeling van een technologie die bedoeld is om siliciumchips te vervangen, en ook onderzoek op het gebied van metamaterialen zal hiervan profiteren.
Momenteel worden op dit gebied om de paar maanden nieuwe belangrijke ontdekkingen gedaan, dus het is niet verwonderlijk dat sommige natuurkundigen verwachten dat de eerste monsters van een echt onzichtbaarheidsschild binnen enkele decennia in het laboratorium zullen verschijnen. Wetenschappers zijn er dus van overtuigd dat ze in de komende jaren metamaterialen zullen kunnen maken die een object volledig onzichtbaar kunnen maken, althans in twee dimensies, voor zichtbaar licht van een bepaalde frequentie. Om dit effect te bereiken, zal het nodig zijn om kleine nano-implantaten in het metamateriaal te introduceren, niet in regelmatige rijen, maar in een complex patroon, zodat het licht als resultaat soepel rond het verborgen object buigt.
Vervolgens zullen wetenschappers metamaterialen moeten uitvinden en creëren die licht in drie dimensies kunnen buigen, niet alleen op platte tweedimensionale oppervlakken. Fotolithografie is een bewezen technologie voor het produceren van platte siliciumcircuits; voor het maken van driedimensionale metamaterialen is op zijn minst een complexe opstelling van meerdere platte diagrammen nodig.
Daarna zullen wetenschappers het probleem moeten oplossen van het creëren van metamaterialen die licht niet van één frequentie buigen, maar van meerdere - of bijvoorbeeld een frequentieband. Dit is misschien wel de moeilijkste taak, omdat alle kleine implantaten die tot nu toe zijn ontwikkeld, slechts licht met één precieze frequentie afbuigen. Wetenschappers moeten mogelijk meerlagige metamaterialen aanpakken, waarbij elke laag op een specifieke frequentie zal werken. Het is nog niet duidelijk wat de oplossing voor dit probleem zal zijn.
Maar het schild van onzichtbaarheid, zelfs nadat het uiteindelijk in het laboratorium is gemaakt, is misschien helemaal niet wat we willen, hoogstwaarschijnlijk zal het een zwaar en onpraktisch apparaat zijn. Harry Potters mantel was genaaid van een dunne, zachte stof en maakte iedereen die zich erin wikkelde onzichtbaar. Maar om een dergelijk effect mogelijk te maken, moet de brekingsindex in het weefsel constant op een complexe manier veranderen in overeenstemming met de trillingen van het weefsel en de bewegingen van de persoon. Dit is onpraktisch. Hoogstwaarschijnlijk zal de onzichtbaarheidsmantel, althans aanvankelijk, een stevige cilinder van metamateriaal zijn. In dit geval kan de brekingsindex in de cilinder constant worden gemaakt. (In meer geavanceerde modellen kunnen na verloop van tijd flexibele metamaterialen verschijnen die kunnen buigen en tegelijkertijd het licht in zichzelf op de goede weg houden.wie er in de "mantel" zal zitten, krijgt enige bewegingsvrijheid.)
Het onzichtbaarheidsschild heeft één nadeel, waar al herhaaldelijk op is gewezen: degene die binnen is, kan niet naar buiten kijken zonder zichtbaar te worden. Stel je Harry Potter voor met alleen zijn ogen zichtbaar; terwijl ze op de juiste hoogte door de lucht lijken te zweven. Eventuele ooggaten in de onzichtbaarheidsmantel zouden van buitenaf duidelijk zichtbaar zijn. Als je Harry Potter volledig onzichtbaar maakt, dan zal hij blindelings en in volledige duisternis onder zijn mantel moeten zitten. (Een mogelijke oplossing voor dit probleem zijn twee kleine stukjes glas voor de ogen. Deze stukjes glas zouden werken als "straalsplitsers"; ze zouden afknijpen en een klein deel van het licht dat erop valt in de ogen richten. zou omzeilen, waardoor de persoon van binnen onzichtbaar wordt, maar sommige, heel klein,een deel ervan zou scheiden en de ogen binnendringen.)
De obstakels voor onzichtbaarheid zijn ongetwijfeld zeer ernstig, maar wetenschappers en ingenieurs zijn optimistisch en geloven dat er in de komende decennia een of ander onzichtbaarheidsschild kan worden gecreëerd.
Onzichtbaarheid en nanotechnologie
Zoals ik al zei, kan de sleutel tot onzichtbaarheid de ontwikkeling van nanotechnologie zijn, d.w.z. het vermogen om structuren van atomaire afmetingen (ongeveer een miljardste van een meter) te manipuleren.
Het moment van de geboorte van nanotechnologie heet de beroemde lezing met de ironische titel "At the bottom is full of space", die in 1959 door de Nobelprijswinnaar Richard Feynman voor de American Physical Society werd gehouden. In deze lezing sprak hij over hoe de kleinste machines eruit zouden kunnen zien in overeenstemming met de ons door de wetten van de fysica. Feynman realiseerde zich dat de grootte van machines steeds kleiner zou worden totdat ze de grootte van een atoom benaderen, en dan konden de atomen zelf worden gebruikt om nieuwe machines te maken. Hij concludeerde dat de eenvoudigste atomaire machines zoals een blok, hefboom of wiel de wetten van de fysica niet tegenspreken, maar het zal buitengewoon moeilijk zijn om ze te vervaardigen.
Nanotechnologie is jarenlang in de vergetelheid geraakt - simpelweg omdat de technologie van die tijd de manipulatie van individuele atomen niet toestond. Maar in 1981 was er een doorbraak: natuurkundigen Gerd Binnig en Heinrich Rohrer van het IBM-laboratorium in Zürich vonden de scanning tunneling microscoop uit, waarmee ze later de Nobelprijs voor de natuurkunde kregen.
Wetenschappers waren ineens in staat om verbazingwekkende 'plaatjes' te krijgen van individuele atomen gecombineerd tot structuren - precies dezelfde als gewoonlijk afgebeeld in boeken over scheikunde; ooit beschouwden critici van de atoomtheorie dit als onmogelijk. Nu was het mogelijk om prachtige foto's te maken van atomen gerangschikt in rijen in de juiste structuur van een kristal of metaal. De chemische formules waarmee wetenschappers de complexe structuur van het molecuul probeerden te weerspiegelen, waren nu met het blote oog te zien. Bovendien maakte de scanning tunneling microscoop het mogelijk om individuele atomen te manipuleren. De ontdekkers legden de letters IBM uit van individuele atomen, wat een echte sensatie maakte in de wetenschappelijke wereld. Wetenschappers zijn niet langer blind in de wereld van individuele atomen; ze waren in staat om atomen te zien en ermee te werken.
Het werkingsprincipe van een scanning tunneling microscoop is bedrieglijk eenvoudig. Net zoals een grammofoon een schijf met een naald scant, gaat deze microscoop langzaam met een scherpe sonde over de stof die wordt bestudeerd. (De punt van deze sonde is zo scherp dat hij eindigt in een enkel atoom.) De sonde draagt een zwakke elektrische lading; een elektrische stroom vloeit van zijn uiteinde door het te bestuderen materiaal naar het geleidende oppervlak eronder. Wanneer de sonde over elk afzonderlijk atoom gaat, verandert de stroom enigszins; veranderingen in de stroom worden zorgvuldig geregistreerd. Het stijgen en dalen van de stroom wanneer de naald zeer nauwkeurig en gedetailleerd de omtrek van het atoom passeert. Nadat je de gegevens over stroomfluctuaties voor een groot aantal passages in grafische vorm hebt verwerkt en gepresenteerd, kun je een prachtig beeld krijgen van individuele atomen die een ruimtelijk rooster vormen.
(Een scanning tunneling microscoop kan bestaan dankzij een vreemde wet van de kwantumfysica. Gewoonlijk hebben elektronen niet genoeg energie om van de punt van de sonde naar het substraat te reizen door de laag materie. Dat wil zeggen, ze dringen de barrière binnen, hoewel dit in tegenspraak is met de theorie van Newton. Daarom is de stroom die door het materiaal gaat zo gevoelig voor de subtiele kwantumeffecten erin. Later zal ik in meer detail ingaan op de gevolgen van de kwantumtheorie.)
Bovendien is de sonde van de microscoop gevoelig genoeg om individuele atomen te verplaatsen en er eenvoudige "machines" van te bouwen. Op dit moment is deze technologie zo geavanceerd dat je een groep atomen op een computerscherm kunt zien en, door simpelweg de cursor te verplaatsen, individuele atomen op een willekeurige manier kunt verplaatsen. Tientallen atomen kunnen net zo gemakkelijk worden gemanipuleerd als legoblokjes. Je kunt niet alleen letters van atomen opmaken, maar ook speelgoed maken, zoals bijvoorbeeld een telraam, waarbij knokkels worden samengesteld uit enkele atomen. Hiervoor worden de atomen op een oppervlak gelegd dat is uitgerust met verticale groeven. Sferische fullerenen ("voetballen" samengesteld uit individuele koolstofatomen) worden in de groeven gestoken. Deze koolstofballen dienen als de botten van atomaire accounts en bewegen op en neer in hun groeven.
Je kunt ook atomaire apparaten knippen met elektronenbundels. Wetenschappers van Cornell University hebben bijvoorbeeld uit kristallijn silicium de kleinste gitaar ter wereld gesneden, waarvan de grootte 20 keer kleiner is dan de dikte van een mensenhaar. De gitaar heeft zes snaren, elk honderd atomen dik, die met een atoomkrachtmicroscoop kunnen worden getrokken. (De gitaar speelt inderdaad muziek, maar de frequenties die het produceert, zijn ver buiten de hoorbaarheid van het menselijk oor.)
Tegenwoordig zijn bijna alle "nanomachines" slechts speelgoed. Complexere machines met tandwielen en lagers moeten nog worden gemaakt. Maar veel ingenieurs zijn ervan overtuigd dat de tijd voor echte atomaire machines eraan komt. (In de natuur bestaan dergelijke machines. Eencellige organismen kunnen vrij in het water drijven door de bewegingen van kleine haartjes. Maar als je goed nadenkt over de verbinding tussen een haar en een cel, wordt het duidelijk dat het de atomaire machine is die een haar willekeurig in alle richtingen laat bewegen. Daarom is dit een van de manieren om nanotechnologie te ontwikkelen. is een kopie van de natuur, die miljarden jaren geleden de productie van atomaire machines beheerste.)
Hologrammen en onzichtbaarheid
Een andere manier om een persoon enigszins onzichtbaar te maken, is door het uitzicht achter hem te fotograferen en dat beeld vervolgens rechtstreeks op de kleding van de persoon of een soort scherm voor hem te projecteren. Als je vanaf de voorkant kijkt, zal het lijken alsof de persoon transparant is geworden en dat het licht op de een of andere manier door zijn lichaam gaat.
Dit proces, dat bekend staat als "optische verhulling", is in het bijzonder serieus nagestreefd door Naoki Kawakami van het Tachi Laboratorium van de Universiteit van Tokio. Hij zegt: "Deze technologie kan worden gebruikt om piloten te helpen de landingsbaan door de vloer van de cockpit te zien of om chauffeurs te helpen rond te kijken wanneer ze geparkeerd staan." Kawakami's mantel is bedekt met kleine reflecterende kralen die als een filmscherm werken. Wat er van achteren gebeurt, wordt gefilmd met een videocamera. Dit beeld gaat vervolgens naar een videoprojector, die het op zijn beurt projecteert op de mantel ervoor. Het licht lijkt de persoon door en door te penetreren.
In het laboratorium zijn al prototypes gemaakt van regenjassen met een optisch camouflagesysteem. Als je direct van voren naar iemand in zo'n mantel kijkt, lijkt het alsof hij verdwijnt, want je ziet alleen een beeld van wat er achter gebeurt. Maar als jij, en met jou je ogen, een beetje beweegt en het beeld op de mantel hetzelfde blijft, zal het duidelijk worden dat dit slechts bedrog is. In een meer realistisch optisch verhullingssysteem zal het nodig zijn om de illusie van een driedimensionaal beeld te creëren. Hiervoor zijn hologrammen nodig.
Een hologram is een 3D-afbeelding gemaakt door lasers (denk aan de 3D-afbeelding van prinses Leia in Star Wars). Je kunt een persoon onzichtbaar maken door de achtergrond achter hem te fotograferen met een speciale holografische camera en deze vervolgens opnieuw te creëren op een speciaal holografisch scherm voor hem. De waarnemer ziet voor zich een holografisch scherm met een afbeelding van alles wat er werkelijk voor staat, met uitzondering van een persoon. Het zal lijken alsof de persoon zojuist is verdwenen. In plaats daarvan komt een nauwkeurig 3D-beeld van de achtergrond. Zelfs na een verhuizing zult u niet kunnen begrijpen dat er een nep voor u ligt.
Het creëren van dergelijke driedimensionale afbeeldingen is mogelijk dankzij de "coherentie" van het laserlicht, d.w.z. het feit dat elektromagnetische trillingen daarin strikt gelijktijdig optreden. Om een hologram te bouwen, wordt een coherente laserstraal in twee delen gesplitst. De ene helft is gericht op de fotografische film, de andere - op dezelfde fotografische film, maar na reflectie van het object. Wanneer de twee helften van de bundel interfereren, verschijnt er een interferentiepatroon op de film, dat alle informatie over de originele driedimensionale bundel bevat. De film na ontwikkeling ziet er niet veelbelovend uit - er is alleen een web van onbegrijpelijke lijnen en krullen zichtbaar. Maar als je een laserstraal door deze film laat gaan, verschijnt er een exacte driedimensionale kopie van het object in de lucht, als bij toverslag.
Niettemin vormt holografische onzichtbaarheid zeer ernstige problemen voor onderzoekers. Een daarvan is het maken van een holografische camera die minstens 30 foto's per seconde kan maken. Een andere is de opslag en verwerking van al deze informatie. Ten slotte moet u het beeld op het scherm projecteren zodat het er realistisch uitziet.
Onzichtbaarheid door de vierde dimensie
Een andere, veel sluwere manier om onzichtbaar te worden moet worden genoemd, zoals geschetst door H. G. Wells in de roman The Invisible Man. Deze methode maakt gebruik van de mogelijkheden van de vierde dimensie. (Later in dit boek zal ik meer vertellen over het mogelijke bestaan van hogere dimensies.) Kan een persoon ons driedimensionale universum verlaten en erboven zweven in de vierde dimensie, terwijl hij vanaf de zijkant observeert wat er gebeurt? Als een driedimensionale vlinder die over een tweedimensionaal vel papier fladdert, zou zo iemand onzichtbaar zijn voor elke inwoner van het universum beneden. Het enige probleem is dat het bestaan van hogere dimensies nog niet is bewezen. Bovendien zou een hypothetische reis naar een van deze dimensies veel meer energie vergen dan we momenteel hebben met onze huidige stand van zaken. Als we het hebben over echte manieren om onzichtbaarheid te bereiken, dan ligt deze methode uiteraard ver buiten onze huidige kennis en mogelijkheden.
Gezien de enorme vooruitgang die al is geboekt op de weg naar onzichtbaarheid, denk ik dat we het veilig kunnen classificeren als een klasse I onmogelijkheid. Onzichtbaarheid van een of andere soort kan de komende decennia gemeengoed worden, in ieder geval tegen het einde van de eeuw.