Nematomas apsiaustas iš fantastinių filmų keliasi į realybę

 Duke’o universitete Šiaurės Karolinoje (JAV) išbandytas įrenginys „paslepia“ nedidelį varinį cilindrą nuo sklindančių mikrobangų. Įdomiausia, jog šis eksperimentas atliktas pagal „vadovėlinį“ eiliškumą – pirmiausia ši idėja aprašyta ir pagrįsta matematiškai (straipsnis pasirodė 2006 metų gegužės 25 d. Science Express) britų fiziko-teoretiko Johno Pendry (Imperial College London) ir jo kolegų, o tik po to amerikiečiai mokslininkai, vadovaujami Davido Smith‘o (Duke University), realizavo praktinį eksperimentą. Eksperimento publikacija pateikta žurnale Science (DOI: 10.1126/science.1133628). Po pirmosios sėkmės mokslininkai pasiryžę sukurti optinio diapazono nematomą kostiumą.

Kaip veikia šis „apsiaustas“? Pirmiausia reikia suprasti, kas tai yra „matomumas“, tuomet galima nesunkiai įsivaizduoti ir atvirkščiai veikiantį procesą. Daiktai yra matomi todėl, kad nuo jų atsispindi Saulės spinduliai. Paprasčiausiu ir tradiciniu atveju. Vadinasi jei nėra Saulės, mes daiktų nematytume. Naktį taip ir yra. Jei danguje nesimato žvaigždžių ir po debesimis pasislėpęs mėnulis – sakoma „tamsu nors į akį durk“. Atsispindėję spinduliai nebūtinai turi būti kuriami Saulės – tam tinka bet koks šviesos šaltinis. O kas tada apskritai yra šviesa?

Šviesa yra elektromagnetinės bangos, kurių ilgiai yra diapazone nuo 700 nm (raudona spalva) iki 400 nm (violetinė spalva). Tokio ilgio bangų dažnis patenka į diapazoną nuo 100 iki 1000 THz (terahercai). Tai daug ar mažai? Maksimalus bangų dažnis, kurį dar galima be didesnių problemų sugeneruoti šiuolaikinės elektronikos generatoriai siekia mikrobangas – iki 1 THz. Aišku, kariniams tikslams naudojami ir didesni dažniai, tačiau jų panaudojimas yra sąlyginis su tam tikru daliniu valdymu. Taigi, akimis matoma šviesa yra labai didelio dažnio elektromagnetinės bangos. Ir jei jos atsispindi nuo objekto, mes matome ne pačias bangas o atsispindėjusio objekto konkūrus, spalvą. O kas yra spalva?

Spalva – skirtingo ilgio regimos šviesos banga. Ilgiausias atsispindėjusias bangas mes suvokiam kaip raudoną šviesą, o trumpiausias bangas – kaip violetinę. Tarp šių spalvų išsidėsto visa gama kitų spalvų ir atspalvių.

Žinant šituos faktus nesunku paaiškinti visiems žinomus reiškinius – baltos spalvos objektai mažiausiai kaista todėl, kad jie atspindi visas skirtingo ilgio šviesos bangas – susimaišiusios visos spalvos sudaro baltą atspalvį. Vadinasi balta nėra atskira spalva, o visų spalvų mišinys. Tuomet aišku kodėl juodas kūnas labiausiai kaista – jis sugeria visas bangas, o akys neaptikdamos bangų atspindžio suvokia juodo kūno kontūrus.

Taigi, objektas nebus matomas tik tada, jei jis neatspindės ir nesugers šviesos bangų. Jei įsivaizduotume elektromagnetines bangas kaip vandens tekėjimą, tai kiekvienas kūnas yra tarsi kliūtis vandens srovei. Tačiau vanduo neatsispindi nuo jos kelyje pasitaikiusio didelio akmens. Srovė jį apgaubia iš abiejų pusių. Jei taip elgtųsi ir šviesos bangos, objektas tarsi pranyktų iš mūsų akių – šviesa jį apgaubia, tačiau neatsispindi ir nesusigeria. Šią apgaubimo savybę prie tam tikrų sąlygų turi visos elektromagnetinės bangos. Fizikoje tai vadinama difrakcija – tai reiškinys, kai elektromagnetinės bangos sklinda gaubdamos Žemės paviršių ir kitas kliūtis. Jei šviesos bangai sutikus kliūtį pasireikštų tik difrakcija, be atspindžio, mūsų akis objektų nematytų. Dabar gi dalis šviesos atsispindi nuo visų objektų, dalis sugeriama, o dar kita dalis difrakcijos dėka apgaubia objektus. Štai su tokia realybę tenka susidurti, norint konstruoti nematomą apsiaustą.

Su regimumo „problema“ mokslininkai pasiryžo kautis pasinaudodami dar viena elektromagnetinių bangų savybe, vadinama refrakcija. Šis reiškinys apibūdina elektromagnetinių bangų (tame tarpe ir šviesos) sklidimą daugialypėje terpėje, kur sudarančių medžiagų savybės gerokai skiriasi. Elektromagnetinės bangos, patekusios į medžiagų sluoksnius, kurių elektrinės savybės tolygiai kinta, palaipsniui užlinksta, t.y. sklinda kreiva trajektorija. Trajektorijos kreivumas priklauso nuo medžiagos nevienalytiškumo laipsnio. Juo skirtingesnės medžiagos savybės, juo trajektorija yra kreivesnė.

Su refrakcija esame susidūrę kiekvienas, tik vargu ar žinojome jog tai ji. Pavyzdžiui, į vandens stiklinę įmerkto pieštuko vaizdas tarsi "lūžta". Iš tikro tai yra optinė apgaulė, susidariusi dėl šviesos bangų refrakcijos.

Kitaip tariant, reguliuojant daugialypės medžiagos savybes, galima valdyti elektromagnetinės bangos sklidimo kelią. Valdyti taip, kad elektromagnetinė banga iš visų pusių „aplenktų“ norimą paslėpti objektą. Nuostabu! Tereikia medžiagos, sukuriančios reikiamą refrakciją ir joje patalpintas objektas tampa nematomas. Štai tokiu keliu ir nuėjo anglų fizikai teoretikai – jie aprašė tokios medžiagos savybes ir teoriškai įrodė nematomumo realizavimo galimybes. Amerikiečiai, remdamiesi šiais skaičiavimais, tokią medžiagą pagamino.

„Apsiaustą“ sudaro 10 stiklo pluošto žiedų, padengtų vario elementais. Tai klasifikuojama kaip „metamedžiaga“ – dirbtinis mišinys, kuriuo galima pageidaujama kryptimi nukreipti elektromagnetines bangas. Į žiedų vidurį pastatyti daiktai tampa „nematomi“ – mikrobangos pro šią sistemą praeina kaip pro tuštumą – nei sugertos, nei atsispindėtos. Ir tuo pačiu jos „mato“ kas yra už paslėpto objekto. Eksperimento metu sudėtingiausia buvo pagaminti tokią „metamedžiagą“, kuri reikiamu kampu nukreiptų mikrobangas ir tuo pačiu nesukurtų atspindžio. Gamtoje tokios medžiagos nerandamos, jas reikia kurti dirbtiniu būdu. Šios medžiagos pasižymi pasikartojančiomis struktūromis ir egzotinėmis magnetinėmis savybėmis – tarsi kondensatorių ir ričių darinių ekvivalentai. Šios savybės gaunamos sujungus specialiai apdorotą stiklą su vario dalelėmis.

Siekdami supaprastinti eksperimentą, mokslininkai pagamino vienoje plokštumoje veikiantį „nematomą“ 13 cm skersmens cilindrą, susidedantį iš 10 „metamedžiagos“ cilindrų.

Visgi net ir mikrobangų diapazone cilindre paslėptas objektas pilnai neišnyksta – išlieka jo savotiškas šešėlis. Jį įsivaizduoti galima prisiminus filmą „Grobuonis“ – šie ateiviai susikurdavo tarsi perregimą šydą, nors akis vis dar fiksuodavo tam tikrą substanciją. Tačiau reikia įvertinti, jog tai tėra pirmieji žingsniai kuriant „nematomus“ apsiaustus.

Toliau mokslininkai planuoja sukurti trijų matmenų kubą, paslėpsiantį objektus nuo mikrobangų iš visų pusių. Ir aišku, ateities planuose – bandymai sukurti akiai nematomą apsiaustą. Visgi palėpti objektą nuo mikrobangų yra paprasčiau, nei nuo regimos šviesos. Vien jau dėl to, jog šviesos dažnis yra labai didelis ir teks gaminti metamedžiagą, padengtą nanostruktūromis. Kol kas nanotechnologijos dar nėra pajėgios sukurti norimų parametrų nanodarinius. Be to regima šviesa susideda iš daugelio dažnio dedamųjų – o kiekvienam dažniui reikalinga skirtingų savybių metamedžiaga. Taigi, menkai tikėtina, jog artimiausiu laiku ir mes galėsime slėptis po nematomais apsiaustais. Parengta pagal:

• Новое устройство невидимости скрыло себя в микроволновом диапазоне 
• Эльфийский плащ стал реальностью
• Новое устройство невидимости скрыло себя в микроволновом диапазоне
• Mokslininkai sukūrė „nematomą apsiaustą“
• Nouveau record de réfraction négative grâce aux méta-matériaux