refractia negativa
Post on 01-Jul-2015
460 Views
Preview:
TRANSCRIPT
REFRACŢIA NEGATIVĂ
AutorElev
Profesor coordonatorDELLIA-RAISSA FORŢU
Concursul de Creativitate Ştiinţifică bdquoŞtefan Procopiurdquomartie 2012
CUPRINS
1Introducerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3
2Refracţia pozitivăhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5
3Refracţia negativăhelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9
4Metamaterialehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12
5 Invizibilitateahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21
6 Bibliografiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
2
1 Introducere
Ştiinţa este fascinantă nu numai datorită faptului că descoperă noi şi
noi domenii de cercetare dar şi datorită capacităţii sale de a descoperi
lucruri absolut noi icircn domeniile ldquovechi de cacircnd lumeardquo unde nimeni nu s-ar
aştepta să se mai facă vreo descoperire uluitoare Puţini icircşi pot icircnchipui că şi
bine cunoscuta optică geometrică poate fi reconsiderată sau redescoperită de
ştiinţă
Orice persoană iniţiată icircntr-o măsură oarecare icircn fizică cunoaşte că
toate materialele pot fi caracterizate din punct de vedere al interacţiunii lor
cu cacircmpurile electromagnetice prin doi parametri numiţi permeabilitatea
magnetică (μ) şi permitivitatea electrică (ε) Aceşti parametri determină
complet modul de interacţiune a radiaţiei electromagnetice cu materialul
respectiv Cei mai puţin iniţiaţi icircn fizică nu sunt familiarizaţi cu μ si ε ci cu
indicele de refracţie n care nu este altceva decacirct o generalizare a celor doi
parametri (μ si ε) icircn unul singur (n) Pacircnă nu demult se considera că indicele
de refracţie al materialelor obişnuite poate lua numai valori pozitive mai
mari decacirct 1 Icircnsă nimeni nu ne icircmpiedică sa considerăm cel puţin
imaginar că există materiale la care indicele de refracţie ia valori mai mici
ca 1 sau chiar negative
Victor Georgievich Veselago născut icircn 1929 icircn Ucraina URSS
fizician rus la Institutul de fizică generală al Academiei de Ştiinţe din
Moscova care icircn 1967 a fost primul care a teoretizat existenţa materialelor
cu indici de refracţie negativi El a demonstrat icircn una din lucrările sale că
dacă permitivitatea şi permeabilitatea unui material sunt simultan negative
3
indicele de refracţie al acestui material va fi de asemenea negativ Icircn această
afirmaţie este ascuns un element de noutate ştiinţifică care poate duce la
reconsiderarea opticii geometrice cunoscute pacircnă
acum
bull Imagini ale propagării luminii icircntr-un
bicristal YVO4 descriind refracţia totala
Icircn cristalul de sus se prezintă un exemplu
de refracţie negativă iar in cristalul de jos
refracţie pozitivă( Fig1)
Munca de cercetare a lui Veselago a rămas necunoscută mult timp pacircnă
cacircnd fanteziile lui matematice au fost concretizate prin crearea unor
superlentile Interesul faţă de materialele cu indicele de refracţie negativ a
fost icircnsă reicircnviat cu cacircţiva ani icircn urma (1999) cacircnd fizicianul englez John
Pendry de la Imperial College din Londra a propus să se construiască cu
ajutorul acestor materiale lentile perfecte
Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au
descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut
publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că
omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The
Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea
din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme
Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn
Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and
Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu
ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de
domeniul science fiction a declarat profesorul Milton
4
2 Refracţia pozitivă
Refracţia este schimbarea direcţiei de propagare a unei unde din
cauza schimbării vitezei de propagare cel mai adesea la interfaţa dintre
două medii Cel mai uşor de observat exemplu este icircn cazul luminii atunci
cacircnd aceasta trece dintr-un mediu transparent (aer apă sticlă etc) icircn altul
Totuşi fenomenul se petrece cu toate undele inclusiv cu cele sonore La
interfaţa dintre două medii viteza de fază și lungimea de undă se modifică
unda icircși schimbă direcţia icircnsă frecvenţa rămacircne aceeaşi Icircn optică pentru
studiul refracţiei se foloseşte noţiunea de indice de refracţie care este direct
legată de viteza de propagare Lentilele și prismele optice se bazează pe
fenomenul de refracţie pentru a modifica direcţia razelor de lumină Odată
cu refracţia are loc și reflexia adică o parte a undei se reflectă icircnapoi icircn
mediul iniţial după legile obişnuite ale reflexiei (cu excepţia cazului icircn care
unghiul de incidenţă este nul sau dacă avem de-a face cu materiale speciale
cu indice de refracţie negativ) Fig2
Cel mai adesea icircn viaţa de zi
cu zi se poate observa refracţia
atunci cacircnd privim icircntr-un vas cu
apă obiectele par a fi mai aproape
de suprafaţă decacirct sunt iar poziţia
lor pare a se schimba odată cu
unghiul din care sunt privite (Fig2) Pentru a determina poziţia unui obiect
creierul uman analizează o pereche de raze de lumină venite de la acel
5
obiect icircncercacircnd să afle unde se intersectează De aceea icircn imaginile
alăturate sunt prezentate perechi de raze care se refractă icircmpreună (deşi sub
un unghi uşor diferit din cauza unghiurilor de incidenţă diferite)
Tot refracţia este fenomenul din spatele curcubeului (Fig3) ori a
mirajelor care apar de exemplu icircn deşert sau vara cacircnd asfaltul este icircncălzit
( Fig4) atunci cacircnd temperatura aerului variază foarte rapid cu icircnălţimea
Fig3 Fig4
Icircn mod similar poziţiile reale ale astrelor de pe cer nu sunt cele
aparente mai ales atunci cacircnd aceste astre se văd aproape de orizont intracircnd
icircn atmosferă pieziş ele se refractă progresiv din cauza dependenţei indicelui
de refracţie al aerului de altitudine (icircn principal prin intermediul presiunii)
Aşa se explică şi variaţia discontinuă a poziţiei şi formei Soarelui atunci
cacircnd apune ori răsare
Fig5 Un miraj artificial se obţine folosind
soluţie de zahăr icircn care indicele de refracţie
descreşte de la bază la vacircrful cuvei Pisica apare
icircn imagini multiple
Un fenomen asemănător apare icircn cazul undelor
electromagnetice emise de şi către sateliţi icircn
mod normal devierea este nesemnificativă dar
icircn cazul semnalelor GPS ea trebuie calculată
pentru a se putea obţine o precizie mai bună a
poziţiei determinate Se poate remarca de asemenea faptul că refracţia este
similară unei probleme matematice se dau două puncte aflate icircn medii
6
diferite (icircn sensul că viteza de deplasare prin cele două medii diferă) se cere
drumul optim icircntre cele două puncte Intuitiv problema poate fi enunţată
astfel o persoană se află pe plajă şi trebuie să ajungă la o baliză aflată icircn
apă (se presupune că linia ţărmului este o dreaptă) care este drumul optim
(din punct de vedere temporal) ţinacircnd cont că pe plajă aleargă mai repede
decacirct icircnoată icircn apă Desigur că soluţia depinde de raportul vitezelor icircn cele
două medii (icircn cazul luminii acest raport se numește indice de refracţie) O
rază de lumină care porneşte dintr-un punct aflat icircn unul dintre medii va
urma tocmai acest drum optim pentru a ajunge la un punct din celălalt
mediu Icircn cazul refracţiei pozitive raza se va propaga intr-o direcţie situată
icircntre perpendiculara pe suprafaţa
materialului şi direcţia razei iniţiale
Fig6
Pe de altă parte icircn cazul indicelui de
refracţie negativ n lt0 unghiul de
refracţie va fi de asemenea negativ raza refractată se va situa prin urmare de
partea stacircngă a normalei la suprafaţa materialului ( Fig6)
Indicele de refracţie al unui mediu este raportul dintre viteza luminii in vid
şi viteza luminii icircn acel mediu Datorită faptului că lumina de frecvenţe
diferite călătoreşte la viteze diferite icircntr-un mediu indicele de refracţie este
diferit pentru lumina de frecvenţe diferite Asta icircnseamnă că lumina de
culori diferite este refractată la unghiuri diferite cacircnd trece dintr-un mediu icircn
altul Efectul obţinut este dispersia luminii la trecerea acesteia prin prisma
optică Pentru cacircteva substanţe indicele de refracţie este 1000 pentru vid
10003 pentru aer 1309 pentru gheaţă 152 pentru sticlă crown 192
pentru zircon şi 242 pentru diamant
Legea refracţiei Snell-Descartes importantă lege numită astfel
după matematicianul olandez Willebrord Snell şi francezul Descartes
7
afirmă că produsul indicelui de refracţie şi sinusul unghiului de incidenţă al
unei raze icircntr-un mediu este egal cu produsul indicelui de refracţie şi
sinusului unghiului de refracţie icircntr-un mediu succesiv adică
Indicele de refracţie al unui mediu este caracterizat prin două mărimi
micror ndash permeabilitatea magnetică relativă şi εr- permitivitatea electrică relativă
ale mediului considerat astfel avem relaţia
8
3 Refracţia negativă
Refracţia negativă este un fenomen anormal icircn electromagnetism
pentru care raza refractată este de aceeaşi parte ca şi raza incidentă (vezi
figura alăturată) unde icircn cazul a) refracţia este icircntr-un material obişnuit ( n
gt 1) şi icircn cazul b) refracţia este neobişnuită icircn material cu indicele de
refracţie negativ (n lt 0) Deoarece unghiul de incidenţă i ia valori intre 0 si
2π respectiv sin i va fi mai mare ca
zero De aici rezultă că semnul lui sin
r va coincide cu semnul indicelui de
refracţie al materialului n
Fig7
Astfel dacă n gt 1 unghiul de refracţie va fi unul pozitiv (Fig 7a) şi mai mic
ca unghiul de incidenţă Adică raza se va propaga intr-o direcţie situată icircntre
perpendiculara pe suprafaţa materialului şi direcţia razei iniţiale Pe de altă
parte icircn cazul indicelui de refracţie negativ n lt 0 unghiul de refracţie va fi
de asemenea negativ ( Fig7b) Deci raza refractată se va situa de partea
stacircngă a normalei la suprafaţa materialului O astfel de refracţie ldquonegativărdquo
este total neobişnuită pentru materialele icircntacirclnite icircn natură
Printre consecinţele imediate ale refracţiei negative putem enumera
următoarele
1 Din punctul de vedere al opticii ondulatorii un material cu indicele de
refracţie negativ va modifica unda de lumină icircntr-un aşa mod icircncacirct unda va
produce vibraţii icircntr-o direcţie iar energia undei se va propaga icircn sens opus
9
2 Efectul Doppler va fi inversat adică frecvenţa unei surse de lumină care
se apropie de observator nu se va mări (deplasarea spre violet) cum este
firesc ci se va micşora (deplasarea spre roşu)
3 Efectul Cerenkov va fi de asemenea inversat Deci lumina generată
datorită faptului că mediul respectiv este traversat de o particulă icircncărcată va
fi emisă icircn spatele particulei şi nu icircn faţa ei
4 După cum a arătat Veselago icircn lucrările sale o simplă pană plan-paralelă
va funcţiona ca o lentilă creacircnd o imagine a obiectului icircn interiorul penei şi
alta de partea cealaltă a ei (Fig8) Această
proprietate ar simplifica considerabil
fabricarea lentilelor deoarece nu ar mai fi
necesar de a se prelucra lentila pentru a fi
convexă sau concavă după caz O astfel de
lentilă ar fi mai puţin capricioasă decacirct
lentilele obişnuite din simplul motiv că
obiectul ar putea fi situat icircn orice poziţie faţă
de lentilă şi nu numai pe axa ei cum e cazul
lentilelor obişnuite
5 O altă consecinţă a indicelui de refracţie negativ pe care se bazează ideea
lui J Pendry cu privire la lentilele perfecte este că undele evanescente ale
unui corp ar putea fi amplificate de o lentilă cu indicele de refracţie negativ
Undele evanescente ale unui corp au o lungime de undă foarte mică şi de
obicei nu părăsesc suprafaţa corpurilor Datorită lungimii de undă mici ele
conţin informaţia cea mai detaliată despre corp
6 Se ştie că atunci cacircnd privim intr-un vas cu apă adacircncimea acestui vas
pare a fi mult mai mică decacirct este icircn realitate
Acest efect se datorează
faptului că indicele de
refracţie al apei este pozitiv
10
Fig8pană plan-paralelă va funcţiona ca o lentilă creacircnd o imagine a obiectului icircn interiorul penei şi alta de partea cealaltă a ei
Admiţacircnd icircnsă că apa ar avea un indice de refracţie negativ adacircncimea
vasului cu apă nu ni s-ar mai părea a fi prea mică ci din contra vasul ar
părea mult mai adacircnc decacirct este icircn realitate iar un creion icircn paharul cu apă
se va vedea ca icircn fotografia alăturată stacircnga ( Fig9)
7 Comportarea lentilelor la lumină este inversă decacirct in cazul obişnuit
(a) Lentila convexă efect divergent
(b) Lentila concavă efect convergent
Notă Similar se icircntacircmplă icircn microunde şi icircn domeniul X pentru materialele
transparente cu 0 lt n lt 1 (nu au n lt 0)
8 Imaginea obiectelor printr-un material cu indice de refracţie negativ va fi
situată ca icircn Fig10 de mai jos unde se observă
bull imaginea peştelui situat icircn apă mai sus decacirct icircn realitate dar icircn interiorul
apei pentru indice de refracţie pozitiv- refracţie pozitivă
bull imaginea peştelui situat icircn apă mai sus decacirct icircn realitate dar icircn exteriorul
apei pentru indice de refracţie negativ- refracţie negativă
Fig10
11
4 Metamateriale
Materialele cu indicele de refracţie negativ se mai numesc şi
ldquomateriale de stacircngardquo (icircn engleză ldquoleft-handed materialsrdquo (LHM)) Icircn
materialele obişnuite adică icircn cele cu n gt 1 poziţia relativă a vectorilor
cacircmpului magnetic şi electric al unei unde se poate afla foarte uşor folosind
aşa-numita ldquoregulă a macircinii drepterdquo Se ştie că unda electromagnetică are
reprezentarea prin cei doi vectori E ndash intensitatea cacircmpului electric şi B-
inducţia cacircmpului magnetic vectori perpendiculari unul pe altul şi pe
direcţia de propagare a undei marcată prin vectorul k (Fig11)
Fig11
Pentru materialele cu indicele de refracţie negativ această regulă nu
mai este valabilă fiind necesar să se folosească ldquoregula macircinii stacircngirdquo De
aici şi provine denumirea de materiale ldquode stacircngardquo Ele mai sunt numite şi
materiale cu undă inversată (ldquobackward wave materialsrdquo (BWM) aceasta
fiind o aluzie la faptul că energia undei se propagă icircn sens opus faţă de
sensul de propagare al undei Icircnsă de cele mai multe ori ele sunt numite
materiale cu indice negativ (ldquonegative index materialsrdquo (NIM)) sau
materiale cu indice de refracţie negativ (ldquonegative refractive indexrdquo (NRI))
Este interesant faptul că materiale cu valori negative ale unuia din cei doi
parametri (ε sau μ) se icircntacirclnesc şi icircn natură De exemplu icircn unele metale
12
cum ar fi argintul sau semiconductori la anumite frecvenţe şi condiţii
exterioare ε ia valori negative Un alt exemplu icircl constituie aşa-numită
plasmă neutră fără coliziuni (puternic rarefiată) care nu este prea comună icircn
viaţa de toate zilele O astfel de plasmă are permitivitatea negativă la
frecvenţe mai mici decacirct aşa numita ldquofrecvenţă de plasmărdquo De asemenea
există o serie de materiale feromagnetice şi antiferomagnetice ale căror
permeabilităţii magnetice μ au valori negative
Icircn 1996 Pendry a anunţat că a obţinut un material artificial care fiind
expus acţiunii undelor electromagnetice are un răspuns asemănător cu cel al
plasmei neutre fără coliziuni deci are permitivitatea electrică ε negativă
Materialul raportat de Pendry reprezintă un masiv de conductori plasaţi
paralel la anumite distanţe unul de altul Cacircţiva ani mai tacircrziu Pendry a
anunţat fabricarea unui alt tip de material
artificial ndash aşa-numitul rezonator cu inele
deschise (split-ring rezonator (SRR) a
cărui permeabilitate magnetică μ icircntr-un
anumit domeniu de frecvenţe are valoare
negativă De aici şi pacircnă la realizarea ideii
lui Veselago nu mai rămăsese mult
Combinarea celor două materiale propuse
de Pendry ar forma un material cu valori
negative aticirct pentru permitivitatea electrică
ε cacirct şi pentru permeabilitatea magnetică μ Figura alăturată ne dă o
imagine cum ar putea arăta un astfel de material ( Fig11)
13
Fig12 Metamaterialul compus din inele şi fire metalice care are indice de refracţie negativ material cu valori negative aticirct pentru permitivitatea electrică ε cacirct şi pentru permeabilitatea magnetică μ
Măsurările electromagnetice ale materialelor propuse de Pendry au
fost realizate de D Smith şi echipa sa de la Universitatea din California
SUA Icircn cazul primului material (cu permitivitatea ε negativă) s-a observat
că există un anumit interval de frecvenţe icircn care toate microundele sunt
reflectate Folosind o noţiune din domeniul cristalelor fotonice putem spune
că acest material are o bandă interzisă pentru un anumit interval de
frecvenţe Este surprinzător faptul că dacă se combină acest material cu
materialul al doilea propus de Pendry undele din acelaşi interval nu mai
sunt reflectate ci transmise de material După un şir de alte experimente
Smith et al au ajuns la concluzia că metamaterialul compus din cele două
materiale propuse de Pendry icircndeplinesc condiţiile formulate de Veselago
pentru ca un material să aibă indicele de refracţie negativ Smith spune că
refracţia negativă observată de ei nu este mică ci din contra poate ajunge
chiar pacircnă la 80deg faţă de normala pe suprafaţa de incidenţă Imediat după
publicarea rezultatelor obţinute de Smith şi colaboratorii săi un alt grup de
cercetători de această dată de la Toronto Canada a anunţat că a reuşit
fabricarea unui material cu proprietăţi asemănătoare dar care are o structură
mult mai simplă decacirct cel investigat de echipa lui Smith Mai mult ca atacirct
Shalaev de la Universitatea din Purdue SUA au propus o structură care ar
permite fabricarea peliculelor subţiri cu indicele de refracţie negativ iar o
echipă din Elveţia a anunţat că este pe cale de a fabrica o structură
tridimensională cu indicele de refracţie negativ
Icircn pofida faptului că au fost publicate multe articole care pretind că a
fost observată experimental refracţia negativă icircn diferite materiale icircn lume
există cercetători care continuă să creadă că aşa ceva este contrar legilor
naturii şi că toate măsurătorile efectuate pacircnă acum nu sunt decicirct nişte
bdquoartefacterdquo experimentale W Kohn de la Universitatea din California
14
SUA spune ldquoMaterialele cu indice de refracţie negativ reprezintă o idee
genială icircnsă nu aş fi surprins dacă nu s-ar găsi multe aplicaţii ale acestor
materialerdquo Este suficient să ne aducem aminte că imediat după inventarea
laserului comunitatea ştiinţifică a fost surprinsă că s-a lucrat atacirct de mult
pentru a-l obţine iar aplicaţiile momentane ale laserului erau atacirct de
limitate Astăzi aplicaţiile laserului sunt atacirct de diverse şi multiple icircncacirct
este greu să ţi le imaginezi Să sperăm că istoria se va repeta şi icircn cazul
materialelor cu indicele de refracţie negativ
Pentru ca indicele de refracţie n să fie o mărime care să aibă
semnificaţie fizică (să existe) este nevoie de material omogen sau cvasi-
omogen (scala spaţială aneomogenităţilor periodice p să fie p ltlt l sau p lt
l4 ) Exemple de materiale omogene pentru lumina vizibilă (500 nm) sunt
gaze lichide solide transparente Exemple de neomogenităţi neglijabile
pentru lumina vizibilă sunt atomi molecule unde diametre atomice sunt
001 nm ndash 01 nm iar dimensiunile legăturilor atomice sunt 01 nm ndash 02
nm (legătura C-C 0154 nm hexagon benzen 0280 nm) diametrul
moleculei de ulei asymp 20 nm - 25 nm De comparat cu lungimea de undă icircn
vizibil λ asymp 500 nm
Exemple de structuri periodice Pendry
15
Fig13
(a) Tije metalice (ε lt 0 pt E II z) (b) Inele icircntrerupte (micro lt 0 pt H II y)
Icircn ambele cazuri p ltlt l
Primele experimente au fost realizate cu metamaterial cu n lt 0 icircn
microunde (J B Pendry D R Smith Phys Today June 2004)
(a) Structura rezonantă inele icircntrerupte şi tije
metalice (sacircrme vizibile icircn spatele suporţilor
verticali)
(b) Banda spectrală pentru εr lt 0 şi micror lt 0
(c) Spectrul de putere transmisă numai tije
metalice verde numai inele icircntrerupte
albastru ambele roşu transmisie =
propagare
Fig14
Icircn topul descoperirilor pentru Nobel 2010 a fost şi cel oferit pentru
predicţia descoperirea şi dezvoltarea metamaterialelor negative - (Victor
Veselago John Pendry David Smith Xiang Zhang Sheldon Schultz Ulf
Leonhardt) Metamateriale sunt compuse
din componente mici cum ar fi inele mici si
tije Ele produc efecte optice noi
Refracţia negativă in microunde (J B
Pendry D R Smith Phys Today June
2004)
16
(a) Prismă cu n lt 0 simulare
(b) Prismă cu n gt 0 (teflon) simulare
(c) Experiment prismă metamaterial n lt 0
(d) Experiment prismă teflon
Fig15
Progrese icircn microunde prin realizarea unei
prisme din metamaterial pentru microunde
(Costas M Soukoulis este un distins profesor
de fizică al Iowa State University şi senior
fizician la Ames Laboratory Cartea sa
include Photonic Band Gap Materials and
Photonic Crystals and Light Localization in the Twenty-First Century
2006)
Acest cristal fotonic este o Lentilă Veselago-Pendry pentru
microunde cu indice de refactie n = -1 rezoluţie spaţială lt l (Fig16)
Sir John Brian Pendry este un fizician englez cunoscut pentru studiile
sale privind indicele de refracţie El a creat ldquopelerina invizibilităţiirdquo
(Invisibility Cloak) El este acum la catedra de fizică teoretică a stării
solide al Imperial College London Icircn 2006 primeşte Medalia Regală - The
Royal Medal of the Royal Society of London
Fig16
Astăzi s-au realizat metamateriale pentru
infraroşu şi vizibil domeniul optic fiind icircn
plină cercetare pentru realizarea invizibilităţii
17
Metamateriale sunt
bull materiale artificiale caracterizate de proprietăţi (electromagnetice)
care provin din structura acestora şi nu direct din proprietăţile
materialelor care le compun
bull Materiale prezintă anumite caracteristici structurale comparabile ca
dimensiune cu lungimea de undă a radiaţiei electromagnetice cu care
interacţionează
bull metamaterialele ldquostacircngirdquo (ldquoleft handed metamaterialrdquo ndash LHM) - nu
verifică regula măinii drepte astfel icircncacirct viteza de fază şi cea de grup
au sensuri diferite - permitivitatea electrică şi permeabilitatea
magnetică sunt negative
bull Materiale icircn care are loc refracţia negativă un fenomen anormal icircn
electromagnetism pentru care raza refractată este de aceeaşi parte ca
şi raza incidentă
bull Icircn realitate foarte străvechi pentru că le putem considera spre
exemplu sticlele colorate utilizate icircn vitraliile catedralelor
bull şi cristalele fotonice ( Fig17)
Fig17 piatra de opal a brăţării este un cristal fotonic
Ce este cristalul fotonic
Răspuns Cristalul fotonic este un mediu
dielectric periodic 1D 2D sau 3D avacircnd
periodicitatea de ordinul lungimii de undă
18
a undei electromagnetice realizat prin tehnologii de microprelucrare
Principala sa proprietate este structura de benzi fotonice Pentru o undă
monocromatica care se propagă icircntr-un cristal fotonic ideal va exista o
bandă de frecvenţă interzisă (bandgap) indiferent de direcţia undei şi
indiferent de starea de polarizare a undei Lord Rayleigh icircn 1887 a fost
primul care a arătat că se poate obţine o bandă interzisă sau band gap iar
temenul de laquo cristal fotonic raquo nu a fost introdus decacirct icircn 1987 odată cu
apariţia a două articole majore de Eli Yablonovitch şi Sajeev John Icircn
natură pe lacircngă cristalul de opal care are micro bile de siliciu repartizate
aproape uniform cristale fotonice se icircntacirclnesc şi icircn lumea animală la o
specie de vierme marin Afrodita şi la aripile fluturelui Cyanophrys remus ce
posedă o nano- arhitectură complexă la care culorile albastru metalic şi
verde sunt atribuite structurii de cristale fotonice Ele sunt compuse din
chitină şi aer iar aranjamentul formează o structură dielectrică periodică
Una dintre barierele existente icircn telecomunicaţii la ora actuală este
reprezentată de nodurile de procesare care conectează reţelele de fibră
optică noduri necesare pentru routarea informaţiilor La ora actuală nu
există o metoda ieftină şi eficientă ca acest proces sa fie unul icircn totalitate
optic transmisia optică trebuind să fie convertită icircn semnale electrice pentru
a fi procesată de echipamentele de routare după care la loc icircn semnale
optice pentru transmisia mai departe Acest lucru reprezintă o gacirctuire a
fluxului de date deoarece fibra optică poate transmite mult mai multă
informatie (şi mai rapid) decat firele de cupru Aceasta pentru că icircn fibra
optică transmisia este realizată pe lungimi
de undă diferite un fel de separare pe
culori De aceea ideea este de a realiza nişte
cristale fotonice (cu un exemplu de structură
19
ilustrată icircn imagine) care să separe aceste culori diferite de lumina albă şi să
le routeze icircntr-un mod eficient ( Fig18)
Fig18
5 Invizibilitatea
Pacircnă nu demult invizibilitatea ţinea de domeniul fantasticului Se
pare icircnsă că omul invizibil al lui Wells dar şi navele invizibile ale
klingonienilor din Star Trek sunt pe cale să coboare din literatura şi filmele
science-fiction icircn lumea reală Pelerina invizibilităţii este tot mai aproape
de realitate Cercetătorii au realizat două noi tipuri de materiale care reflectă
lumina icircn mod diferit ceea ce aduce mai aproape de realitate dispozitivul
supranumit pelerina invizibilităţii Unul dintre materiale foloseşte o plasă
din straturi metalice care reflectă icircn sens invers direcţia luminii icircn timp ce
20
al doilea foloseşte fire minuscule de argint Componenţa ambelor materiale
poate fi analizată la scară nanometrică Ambele creaţii ale oamenilor de
ştiinţă sunt metamateriale structuri realizate artificial care au proprietăţi ce
nu se icircntacirclnesc icircn natură cum ar fi indicele de refracţie negativ Două echipe
au lucrat separat la elaborarea materialelor
sub conducerea lui Xiang Zhang de la Centrul
de inginerie şi ştiinţă nanometrică din cadrul
Universităţii Berkley California Fiecare
dintre noile materiale are proprietăţi de
reflectare a luminii icircn valuri de lungime
limitată astfel icircncacirct nimeni nu le poate utiliza
pentru a ascunde clădiri de sateliţi a declarat
Jason Valentine membru al uneia dintre echipe De fapt nu ascundem
nimic Nu cred că trebuie să fim icircngrijoraţi de persoane invizibile care să
umble icircn jurul nostru icircn viitorul apropiat Să fiu cinstit suntem abia la
icircnceput icircn ceea ce priveşte cercetările privind invizibilitatea a spus
Valentine Echipa lui Valentine a realizat un material care influenţează
lumina din apropierea spectrului vizibil icircntr-o regiune folosită icircn cadrul
fibrelor optice Icircn materialele naturale indicele de refracţie care măsoară
modul icircn care lumina acţionează icircntr-un mediu este pozitiv a spus el
Atunci cacircnd vezi un peşte icircn apă acesta va apărea icircn faţa poziţiei icircn care se
află de fapt Dacă pui un băţ icircn apă acesta pare să se icircndoaie a precizat el
menţionacircnd că aceste iluzii sunt provocate de modul icircn care lumina se
refractă atunci cacircnd se mişcă icircntre apă şi aer
Icircnconjoară obiectul ce se doreşte invizibil cu un metamaterial (Fig19)care
să deformeze traseul razelor de lumină prin metamaterial ocolind obiectul
şi care să le recombine după obiect aşa cum erau icircnainte de obiect astfel
obiectul nu este vizibil
Fig19
21
Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de
pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns
profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific
cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991
de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru
Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors
niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru
Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea
Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul
timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al
bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici
au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale
cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că
obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci
cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a
spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi
mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu
are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric
vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un
obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a
acestuia
Foarte flexibil dar mai ales ldquoinvizibilrdquo Metaflex face parte din
categoria metamaterialelor capabile sa devieze traiectoria radiaţiilor făcacircnd
invizibile obiectele Metaflex a fost realizat de cercetătorul italian Andrea
22
Di Falco şi echipa lui de la Universitatea St Andrews din Scoţia Metaflex
constituie subiectul proiectului de cercetare icircn cadrul EPSRC( Engineering
and Physical Science Research Council) denumit bdquoMetaflex- materiale pe
straturi optice transparente flexibilerdquo avacircnd ca scop fabricarea
metamaterialelor icircn membrane foarte subţiri şi flexibile După cum au
explicat oamenii de ştiinţă icircntr-un articol publicat icircn New Journal of
Physics incredibila elasticitate a materialului permite imaginarea unor
aplicaţii SF precum hainele icircn măsura să-l facă pe cel care le poartă
invizibil Găsirea unei modalităţi de a ascunde obiecte de lumina vizibilă
este o veche idee fixă de-a oamenilor de ştiinţă Primele succese icircn acest
sens au fost reprezentate de crearea unor materiale cu caracteristici electrice
şi magnetice speciale Aceste metamateriale care au proprietăţile datorită
structurii geometrice a atomilor sunt icircn măsură să facă să treacă o radiaţie
electromagnetică icircn jurul unui obiect Astfel obiectul devine invizibil
deoarece eludează incidenţa şi reflexia radiaţiei Pacircnă astăzi cercetătorii au
reuşit să creeze materiale invizibile la microunde şi raze infraroşii dar nu şi
la lumina vizibilă Dificultatea de a face un obiect transparent la radiaţia
luminoasă stă icircn faptul că trebuie lucrat pe geometrii infinit de mici
capabile să interacţioneze cu lumina care are o lungime de undă de ordinul
a doar cacircteva sute de nanometri Odată depaşită această dificultate
cercetătorii s-au văzut nevoiţi să icircnfrunte o alta proiectarea unui meta-
material care sa nu fie rigid ci flexibil astfel icircncacirct să poată fi utilizat pentru
fabricarea obiectelor elastice Echipa lui Di Falco a reuşit să depăşească şi
acest ultim obstacol obţinacircnd un pătrăţel de cacircţiva centimetri pătraţi şi o
grosime de 4 micrometri care face obiectele transparente la lumina
portocalie Mai rămacircne de văzut dacă aceste caracteristici ale materialului se
modifică atunci cacircnd este icircndoit sau rămacircn neschimbate icircn primul caz
invenţia va deschide calea realizării unei noi clase de lentile icircn al doilea
punerii la punct a unei adevărate pelerine a invizibilităţii Flexibilitatea
23
metaflexului permite proiectarea şi fabricarea unui sistem de camuflaj
deoarece materialul se poate adapta mediului icircnconjurător
Icircn cadrul studiului lor un grup de cercetători germani si englezi
coordonaţi de Tolga Ergin şi Nicolas Stenger de la Institutul de Tehnologie
din Karlsruhe au utilizat mantaua tridimensională pentru a face invizibilă o
protuberanţă de pe o suprafaţă de aur Mantaua este compusă din lentile
speciale asamblate icircntr-o structură polimerică lentile a căror caracteristică
este aceea de a se lega parţial de undele luminoase astfel icircncacirct să icircmpiedice
lumina să se difuzeze Toate structurile de acest gen realizate pacircnă icircn
prezent sunt bidimensionale dar ulterior a demonstrat că poate funcţiona şi
icircn 3D a precizat Ergin Aşa-numitele materiale ale invizibilităţii sunt
nanomateriale cu dimensiuni de ordinul milionimilor de metru Sunt
capabile sa devieze undele luminoase orientacircndu-le icircn jurul unui obiect
pacircnă cacircnd icircl icircnfăşoară ca o găoace aceasta comportacircndu-se de fapt ca o
manta a invizibilităţii
Obiectele pot fi făcute să pară invizibile lungimilor mari de undă
precum cele utilizate de radare dar nu şi acelora mai mici caracteristice
luminii Oamenii de ştiinţă speră să creeze materiale capabile să forţeze
circularea pe lacircngă un obiect a luminii astfel icircncacirct să icircl mascheze icircn faţa
ochiului uman şi să icircl facă practic invizibil Suprafeţele vor putea fi astfel
determinate să manipuleze toate formele de radiaţie cum ar fi lumina
microundele sau radiaţia
terahertziană conducacircnd la potenţiale
aplicaţii icircn medicină securitate şi
comunicaţii Echipele de cercetare
24
sunt coordonate de profesorul Sir John Pendry o autoritate de talie
mondiala icircn fizică de la ICL care a propus pentru prima oară icircn anul 2006
şi de către profesorul Ştefan Maier un vacircrf de lance icircn domeniul
plasmonicii sau tehnologiei undelor electromagnetice
Fig21 Exemplu de camuflaj vizibil Bombardier Stealth (SUA) ndash negru
(absorbant) icircn microunde şi vizibil
6 Bibliografie
Metaflex-mirajul invizibilităţii Revista Evrika nr12 decembrie 2010
George Nemeş Materiale cu indice de refracţie negativ (metamateriale)
Principii fizice si perspective 2005
G V Eleftheriades K G Balmain Negative-Refraction Metamaterials
Fundamental Principles and Applications Wiley Canada 2005
25
C Caloz T Itoh Electromagnetic Metamaterials Transmission Line
Theory and Microwave Applications Wiley Hoboken NJ 2006
Metaflex-primul material cu adevărat invizibil wwwdescoperăro
N Garcia and M Nieto-Vesperinas Phys Rev Lett 88 207403 (2002)
Sergiu Langa şi Ion Tighineanu UNIVERSITATEA TEHNICĂ A
MOLDOVEI FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE vol 1 nr 4 2000
httpwwwstandrewsacuk~ulfinvisibilityhtml
26
- Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de domeniul science fiction a declarat profesorul Milton
- Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991 de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
- Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a acestuia
-
CUPRINS
1Introducerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3
2Refracţia pozitivăhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5
3Refracţia negativăhelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9
4Metamaterialehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12
5 Invizibilitateahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21
6 Bibliografiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
2
1 Introducere
Ştiinţa este fascinantă nu numai datorită faptului că descoperă noi şi
noi domenii de cercetare dar şi datorită capacităţii sale de a descoperi
lucruri absolut noi icircn domeniile ldquovechi de cacircnd lumeardquo unde nimeni nu s-ar
aştepta să se mai facă vreo descoperire uluitoare Puţini icircşi pot icircnchipui că şi
bine cunoscuta optică geometrică poate fi reconsiderată sau redescoperită de
ştiinţă
Orice persoană iniţiată icircntr-o măsură oarecare icircn fizică cunoaşte că
toate materialele pot fi caracterizate din punct de vedere al interacţiunii lor
cu cacircmpurile electromagnetice prin doi parametri numiţi permeabilitatea
magnetică (μ) şi permitivitatea electrică (ε) Aceşti parametri determină
complet modul de interacţiune a radiaţiei electromagnetice cu materialul
respectiv Cei mai puţin iniţiaţi icircn fizică nu sunt familiarizaţi cu μ si ε ci cu
indicele de refracţie n care nu este altceva decacirct o generalizare a celor doi
parametri (μ si ε) icircn unul singur (n) Pacircnă nu demult se considera că indicele
de refracţie al materialelor obişnuite poate lua numai valori pozitive mai
mari decacirct 1 Icircnsă nimeni nu ne icircmpiedică sa considerăm cel puţin
imaginar că există materiale la care indicele de refracţie ia valori mai mici
ca 1 sau chiar negative
Victor Georgievich Veselago născut icircn 1929 icircn Ucraina URSS
fizician rus la Institutul de fizică generală al Academiei de Ştiinţe din
Moscova care icircn 1967 a fost primul care a teoretizat existenţa materialelor
cu indici de refracţie negativi El a demonstrat icircn una din lucrările sale că
dacă permitivitatea şi permeabilitatea unui material sunt simultan negative
3
indicele de refracţie al acestui material va fi de asemenea negativ Icircn această
afirmaţie este ascuns un element de noutate ştiinţifică care poate duce la
reconsiderarea opticii geometrice cunoscute pacircnă
acum
bull Imagini ale propagării luminii icircntr-un
bicristal YVO4 descriind refracţia totala
Icircn cristalul de sus se prezintă un exemplu
de refracţie negativă iar in cristalul de jos
refracţie pozitivă( Fig1)
Munca de cercetare a lui Veselago a rămas necunoscută mult timp pacircnă
cacircnd fanteziile lui matematice au fost concretizate prin crearea unor
superlentile Interesul faţă de materialele cu indicele de refracţie negativ a
fost icircnsă reicircnviat cu cacircţiva ani icircn urma (1999) cacircnd fizicianul englez John
Pendry de la Imperial College din Londra a propus să se construiască cu
ajutorul acestor materiale lentile perfecte
Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au
descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut
publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că
omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The
Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea
din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme
Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn
Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and
Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu
ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de
domeniul science fiction a declarat profesorul Milton
4
2 Refracţia pozitivă
Refracţia este schimbarea direcţiei de propagare a unei unde din
cauza schimbării vitezei de propagare cel mai adesea la interfaţa dintre
două medii Cel mai uşor de observat exemplu este icircn cazul luminii atunci
cacircnd aceasta trece dintr-un mediu transparent (aer apă sticlă etc) icircn altul
Totuşi fenomenul se petrece cu toate undele inclusiv cu cele sonore La
interfaţa dintre două medii viteza de fază și lungimea de undă se modifică
unda icircși schimbă direcţia icircnsă frecvenţa rămacircne aceeaşi Icircn optică pentru
studiul refracţiei se foloseşte noţiunea de indice de refracţie care este direct
legată de viteza de propagare Lentilele și prismele optice se bazează pe
fenomenul de refracţie pentru a modifica direcţia razelor de lumină Odată
cu refracţia are loc și reflexia adică o parte a undei se reflectă icircnapoi icircn
mediul iniţial după legile obişnuite ale reflexiei (cu excepţia cazului icircn care
unghiul de incidenţă este nul sau dacă avem de-a face cu materiale speciale
cu indice de refracţie negativ) Fig2
Cel mai adesea icircn viaţa de zi
cu zi se poate observa refracţia
atunci cacircnd privim icircntr-un vas cu
apă obiectele par a fi mai aproape
de suprafaţă decacirct sunt iar poziţia
lor pare a se schimba odată cu
unghiul din care sunt privite (Fig2) Pentru a determina poziţia unui obiect
creierul uman analizează o pereche de raze de lumină venite de la acel
5
obiect icircncercacircnd să afle unde se intersectează De aceea icircn imaginile
alăturate sunt prezentate perechi de raze care se refractă icircmpreună (deşi sub
un unghi uşor diferit din cauza unghiurilor de incidenţă diferite)
Tot refracţia este fenomenul din spatele curcubeului (Fig3) ori a
mirajelor care apar de exemplu icircn deşert sau vara cacircnd asfaltul este icircncălzit
( Fig4) atunci cacircnd temperatura aerului variază foarte rapid cu icircnălţimea
Fig3 Fig4
Icircn mod similar poziţiile reale ale astrelor de pe cer nu sunt cele
aparente mai ales atunci cacircnd aceste astre se văd aproape de orizont intracircnd
icircn atmosferă pieziş ele se refractă progresiv din cauza dependenţei indicelui
de refracţie al aerului de altitudine (icircn principal prin intermediul presiunii)
Aşa se explică şi variaţia discontinuă a poziţiei şi formei Soarelui atunci
cacircnd apune ori răsare
Fig5 Un miraj artificial se obţine folosind
soluţie de zahăr icircn care indicele de refracţie
descreşte de la bază la vacircrful cuvei Pisica apare
icircn imagini multiple
Un fenomen asemănător apare icircn cazul undelor
electromagnetice emise de şi către sateliţi icircn
mod normal devierea este nesemnificativă dar
icircn cazul semnalelor GPS ea trebuie calculată
pentru a se putea obţine o precizie mai bună a
poziţiei determinate Se poate remarca de asemenea faptul că refracţia este
similară unei probleme matematice se dau două puncte aflate icircn medii
6
diferite (icircn sensul că viteza de deplasare prin cele două medii diferă) se cere
drumul optim icircntre cele două puncte Intuitiv problema poate fi enunţată
astfel o persoană se află pe plajă şi trebuie să ajungă la o baliză aflată icircn
apă (se presupune că linia ţărmului este o dreaptă) care este drumul optim
(din punct de vedere temporal) ţinacircnd cont că pe plajă aleargă mai repede
decacirct icircnoată icircn apă Desigur că soluţia depinde de raportul vitezelor icircn cele
două medii (icircn cazul luminii acest raport se numește indice de refracţie) O
rază de lumină care porneşte dintr-un punct aflat icircn unul dintre medii va
urma tocmai acest drum optim pentru a ajunge la un punct din celălalt
mediu Icircn cazul refracţiei pozitive raza se va propaga intr-o direcţie situată
icircntre perpendiculara pe suprafaţa
materialului şi direcţia razei iniţiale
Fig6
Pe de altă parte icircn cazul indicelui de
refracţie negativ n lt0 unghiul de
refracţie va fi de asemenea negativ raza refractată se va situa prin urmare de
partea stacircngă a normalei la suprafaţa materialului ( Fig6)
Indicele de refracţie al unui mediu este raportul dintre viteza luminii in vid
şi viteza luminii icircn acel mediu Datorită faptului că lumina de frecvenţe
diferite călătoreşte la viteze diferite icircntr-un mediu indicele de refracţie este
diferit pentru lumina de frecvenţe diferite Asta icircnseamnă că lumina de
culori diferite este refractată la unghiuri diferite cacircnd trece dintr-un mediu icircn
altul Efectul obţinut este dispersia luminii la trecerea acesteia prin prisma
optică Pentru cacircteva substanţe indicele de refracţie este 1000 pentru vid
10003 pentru aer 1309 pentru gheaţă 152 pentru sticlă crown 192
pentru zircon şi 242 pentru diamant
Legea refracţiei Snell-Descartes importantă lege numită astfel
după matematicianul olandez Willebrord Snell şi francezul Descartes
7
afirmă că produsul indicelui de refracţie şi sinusul unghiului de incidenţă al
unei raze icircntr-un mediu este egal cu produsul indicelui de refracţie şi
sinusului unghiului de refracţie icircntr-un mediu succesiv adică
Indicele de refracţie al unui mediu este caracterizat prin două mărimi
micror ndash permeabilitatea magnetică relativă şi εr- permitivitatea electrică relativă
ale mediului considerat astfel avem relaţia
8
3 Refracţia negativă
Refracţia negativă este un fenomen anormal icircn electromagnetism
pentru care raza refractată este de aceeaşi parte ca şi raza incidentă (vezi
figura alăturată) unde icircn cazul a) refracţia este icircntr-un material obişnuit ( n
gt 1) şi icircn cazul b) refracţia este neobişnuită icircn material cu indicele de
refracţie negativ (n lt 0) Deoarece unghiul de incidenţă i ia valori intre 0 si
2π respectiv sin i va fi mai mare ca
zero De aici rezultă că semnul lui sin
r va coincide cu semnul indicelui de
refracţie al materialului n
Fig7
Astfel dacă n gt 1 unghiul de refracţie va fi unul pozitiv (Fig 7a) şi mai mic
ca unghiul de incidenţă Adică raza se va propaga intr-o direcţie situată icircntre
perpendiculara pe suprafaţa materialului şi direcţia razei iniţiale Pe de altă
parte icircn cazul indicelui de refracţie negativ n lt 0 unghiul de refracţie va fi
de asemenea negativ ( Fig7b) Deci raza refractată se va situa de partea
stacircngă a normalei la suprafaţa materialului O astfel de refracţie ldquonegativărdquo
este total neobişnuită pentru materialele icircntacirclnite icircn natură
Printre consecinţele imediate ale refracţiei negative putem enumera
următoarele
1 Din punctul de vedere al opticii ondulatorii un material cu indicele de
refracţie negativ va modifica unda de lumină icircntr-un aşa mod icircncacirct unda va
produce vibraţii icircntr-o direcţie iar energia undei se va propaga icircn sens opus
9
2 Efectul Doppler va fi inversat adică frecvenţa unei surse de lumină care
se apropie de observator nu se va mări (deplasarea spre violet) cum este
firesc ci se va micşora (deplasarea spre roşu)
3 Efectul Cerenkov va fi de asemenea inversat Deci lumina generată
datorită faptului că mediul respectiv este traversat de o particulă icircncărcată va
fi emisă icircn spatele particulei şi nu icircn faţa ei
4 După cum a arătat Veselago icircn lucrările sale o simplă pană plan-paralelă
va funcţiona ca o lentilă creacircnd o imagine a obiectului icircn interiorul penei şi
alta de partea cealaltă a ei (Fig8) Această
proprietate ar simplifica considerabil
fabricarea lentilelor deoarece nu ar mai fi
necesar de a se prelucra lentila pentru a fi
convexă sau concavă după caz O astfel de
lentilă ar fi mai puţin capricioasă decacirct
lentilele obişnuite din simplul motiv că
obiectul ar putea fi situat icircn orice poziţie faţă
de lentilă şi nu numai pe axa ei cum e cazul
lentilelor obişnuite
5 O altă consecinţă a indicelui de refracţie negativ pe care se bazează ideea
lui J Pendry cu privire la lentilele perfecte este că undele evanescente ale
unui corp ar putea fi amplificate de o lentilă cu indicele de refracţie negativ
Undele evanescente ale unui corp au o lungime de undă foarte mică şi de
obicei nu părăsesc suprafaţa corpurilor Datorită lungimii de undă mici ele
conţin informaţia cea mai detaliată despre corp
6 Se ştie că atunci cacircnd privim intr-un vas cu apă adacircncimea acestui vas
pare a fi mult mai mică decacirct este icircn realitate
Acest efect se datorează
faptului că indicele de
refracţie al apei este pozitiv
10
Fig8pană plan-paralelă va funcţiona ca o lentilă creacircnd o imagine a obiectului icircn interiorul penei şi alta de partea cealaltă a ei
Admiţacircnd icircnsă că apa ar avea un indice de refracţie negativ adacircncimea
vasului cu apă nu ni s-ar mai părea a fi prea mică ci din contra vasul ar
părea mult mai adacircnc decacirct este icircn realitate iar un creion icircn paharul cu apă
se va vedea ca icircn fotografia alăturată stacircnga ( Fig9)
7 Comportarea lentilelor la lumină este inversă decacirct in cazul obişnuit
(a) Lentila convexă efect divergent
(b) Lentila concavă efect convergent
Notă Similar se icircntacircmplă icircn microunde şi icircn domeniul X pentru materialele
transparente cu 0 lt n lt 1 (nu au n lt 0)
8 Imaginea obiectelor printr-un material cu indice de refracţie negativ va fi
situată ca icircn Fig10 de mai jos unde se observă
bull imaginea peştelui situat icircn apă mai sus decacirct icircn realitate dar icircn interiorul
apei pentru indice de refracţie pozitiv- refracţie pozitivă
bull imaginea peştelui situat icircn apă mai sus decacirct icircn realitate dar icircn exteriorul
apei pentru indice de refracţie negativ- refracţie negativă
Fig10
11
4 Metamateriale
Materialele cu indicele de refracţie negativ se mai numesc şi
ldquomateriale de stacircngardquo (icircn engleză ldquoleft-handed materialsrdquo (LHM)) Icircn
materialele obişnuite adică icircn cele cu n gt 1 poziţia relativă a vectorilor
cacircmpului magnetic şi electric al unei unde se poate afla foarte uşor folosind
aşa-numita ldquoregulă a macircinii drepterdquo Se ştie că unda electromagnetică are
reprezentarea prin cei doi vectori E ndash intensitatea cacircmpului electric şi B-
inducţia cacircmpului magnetic vectori perpendiculari unul pe altul şi pe
direcţia de propagare a undei marcată prin vectorul k (Fig11)
Fig11
Pentru materialele cu indicele de refracţie negativ această regulă nu
mai este valabilă fiind necesar să se folosească ldquoregula macircinii stacircngirdquo De
aici şi provine denumirea de materiale ldquode stacircngardquo Ele mai sunt numite şi
materiale cu undă inversată (ldquobackward wave materialsrdquo (BWM) aceasta
fiind o aluzie la faptul că energia undei se propagă icircn sens opus faţă de
sensul de propagare al undei Icircnsă de cele mai multe ori ele sunt numite
materiale cu indice negativ (ldquonegative index materialsrdquo (NIM)) sau
materiale cu indice de refracţie negativ (ldquonegative refractive indexrdquo (NRI))
Este interesant faptul că materiale cu valori negative ale unuia din cei doi
parametri (ε sau μ) se icircntacirclnesc şi icircn natură De exemplu icircn unele metale
12
cum ar fi argintul sau semiconductori la anumite frecvenţe şi condiţii
exterioare ε ia valori negative Un alt exemplu icircl constituie aşa-numită
plasmă neutră fără coliziuni (puternic rarefiată) care nu este prea comună icircn
viaţa de toate zilele O astfel de plasmă are permitivitatea negativă la
frecvenţe mai mici decacirct aşa numita ldquofrecvenţă de plasmărdquo De asemenea
există o serie de materiale feromagnetice şi antiferomagnetice ale căror
permeabilităţii magnetice μ au valori negative
Icircn 1996 Pendry a anunţat că a obţinut un material artificial care fiind
expus acţiunii undelor electromagnetice are un răspuns asemănător cu cel al
plasmei neutre fără coliziuni deci are permitivitatea electrică ε negativă
Materialul raportat de Pendry reprezintă un masiv de conductori plasaţi
paralel la anumite distanţe unul de altul Cacircţiva ani mai tacircrziu Pendry a
anunţat fabricarea unui alt tip de material
artificial ndash aşa-numitul rezonator cu inele
deschise (split-ring rezonator (SRR) a
cărui permeabilitate magnetică μ icircntr-un
anumit domeniu de frecvenţe are valoare
negativă De aici şi pacircnă la realizarea ideii
lui Veselago nu mai rămăsese mult
Combinarea celor două materiale propuse
de Pendry ar forma un material cu valori
negative aticirct pentru permitivitatea electrică
ε cacirct şi pentru permeabilitatea magnetică μ Figura alăturată ne dă o
imagine cum ar putea arăta un astfel de material ( Fig11)
13
Fig12 Metamaterialul compus din inele şi fire metalice care are indice de refracţie negativ material cu valori negative aticirct pentru permitivitatea electrică ε cacirct şi pentru permeabilitatea magnetică μ
Măsurările electromagnetice ale materialelor propuse de Pendry au
fost realizate de D Smith şi echipa sa de la Universitatea din California
SUA Icircn cazul primului material (cu permitivitatea ε negativă) s-a observat
că există un anumit interval de frecvenţe icircn care toate microundele sunt
reflectate Folosind o noţiune din domeniul cristalelor fotonice putem spune
că acest material are o bandă interzisă pentru un anumit interval de
frecvenţe Este surprinzător faptul că dacă se combină acest material cu
materialul al doilea propus de Pendry undele din acelaşi interval nu mai
sunt reflectate ci transmise de material După un şir de alte experimente
Smith et al au ajuns la concluzia că metamaterialul compus din cele două
materiale propuse de Pendry icircndeplinesc condiţiile formulate de Veselago
pentru ca un material să aibă indicele de refracţie negativ Smith spune că
refracţia negativă observată de ei nu este mică ci din contra poate ajunge
chiar pacircnă la 80deg faţă de normala pe suprafaţa de incidenţă Imediat după
publicarea rezultatelor obţinute de Smith şi colaboratorii săi un alt grup de
cercetători de această dată de la Toronto Canada a anunţat că a reuşit
fabricarea unui material cu proprietăţi asemănătoare dar care are o structură
mult mai simplă decacirct cel investigat de echipa lui Smith Mai mult ca atacirct
Shalaev de la Universitatea din Purdue SUA au propus o structură care ar
permite fabricarea peliculelor subţiri cu indicele de refracţie negativ iar o
echipă din Elveţia a anunţat că este pe cale de a fabrica o structură
tridimensională cu indicele de refracţie negativ
Icircn pofida faptului că au fost publicate multe articole care pretind că a
fost observată experimental refracţia negativă icircn diferite materiale icircn lume
există cercetători care continuă să creadă că aşa ceva este contrar legilor
naturii şi că toate măsurătorile efectuate pacircnă acum nu sunt decicirct nişte
bdquoartefacterdquo experimentale W Kohn de la Universitatea din California
14
SUA spune ldquoMaterialele cu indice de refracţie negativ reprezintă o idee
genială icircnsă nu aş fi surprins dacă nu s-ar găsi multe aplicaţii ale acestor
materialerdquo Este suficient să ne aducem aminte că imediat după inventarea
laserului comunitatea ştiinţifică a fost surprinsă că s-a lucrat atacirct de mult
pentru a-l obţine iar aplicaţiile momentane ale laserului erau atacirct de
limitate Astăzi aplicaţiile laserului sunt atacirct de diverse şi multiple icircncacirct
este greu să ţi le imaginezi Să sperăm că istoria se va repeta şi icircn cazul
materialelor cu indicele de refracţie negativ
Pentru ca indicele de refracţie n să fie o mărime care să aibă
semnificaţie fizică (să existe) este nevoie de material omogen sau cvasi-
omogen (scala spaţială aneomogenităţilor periodice p să fie p ltlt l sau p lt
l4 ) Exemple de materiale omogene pentru lumina vizibilă (500 nm) sunt
gaze lichide solide transparente Exemple de neomogenităţi neglijabile
pentru lumina vizibilă sunt atomi molecule unde diametre atomice sunt
001 nm ndash 01 nm iar dimensiunile legăturilor atomice sunt 01 nm ndash 02
nm (legătura C-C 0154 nm hexagon benzen 0280 nm) diametrul
moleculei de ulei asymp 20 nm - 25 nm De comparat cu lungimea de undă icircn
vizibil λ asymp 500 nm
Exemple de structuri periodice Pendry
15
Fig13
(a) Tije metalice (ε lt 0 pt E II z) (b) Inele icircntrerupte (micro lt 0 pt H II y)
Icircn ambele cazuri p ltlt l
Primele experimente au fost realizate cu metamaterial cu n lt 0 icircn
microunde (J B Pendry D R Smith Phys Today June 2004)
(a) Structura rezonantă inele icircntrerupte şi tije
metalice (sacircrme vizibile icircn spatele suporţilor
verticali)
(b) Banda spectrală pentru εr lt 0 şi micror lt 0
(c) Spectrul de putere transmisă numai tije
metalice verde numai inele icircntrerupte
albastru ambele roşu transmisie =
propagare
Fig14
Icircn topul descoperirilor pentru Nobel 2010 a fost şi cel oferit pentru
predicţia descoperirea şi dezvoltarea metamaterialelor negative - (Victor
Veselago John Pendry David Smith Xiang Zhang Sheldon Schultz Ulf
Leonhardt) Metamateriale sunt compuse
din componente mici cum ar fi inele mici si
tije Ele produc efecte optice noi
Refracţia negativă in microunde (J B
Pendry D R Smith Phys Today June
2004)
16
(a) Prismă cu n lt 0 simulare
(b) Prismă cu n gt 0 (teflon) simulare
(c) Experiment prismă metamaterial n lt 0
(d) Experiment prismă teflon
Fig15
Progrese icircn microunde prin realizarea unei
prisme din metamaterial pentru microunde
(Costas M Soukoulis este un distins profesor
de fizică al Iowa State University şi senior
fizician la Ames Laboratory Cartea sa
include Photonic Band Gap Materials and
Photonic Crystals and Light Localization in the Twenty-First Century
2006)
Acest cristal fotonic este o Lentilă Veselago-Pendry pentru
microunde cu indice de refactie n = -1 rezoluţie spaţială lt l (Fig16)
Sir John Brian Pendry este un fizician englez cunoscut pentru studiile
sale privind indicele de refracţie El a creat ldquopelerina invizibilităţiirdquo
(Invisibility Cloak) El este acum la catedra de fizică teoretică a stării
solide al Imperial College London Icircn 2006 primeşte Medalia Regală - The
Royal Medal of the Royal Society of London
Fig16
Astăzi s-au realizat metamateriale pentru
infraroşu şi vizibil domeniul optic fiind icircn
plină cercetare pentru realizarea invizibilităţii
17
Metamateriale sunt
bull materiale artificiale caracterizate de proprietăţi (electromagnetice)
care provin din structura acestora şi nu direct din proprietăţile
materialelor care le compun
bull Materiale prezintă anumite caracteristici structurale comparabile ca
dimensiune cu lungimea de undă a radiaţiei electromagnetice cu care
interacţionează
bull metamaterialele ldquostacircngirdquo (ldquoleft handed metamaterialrdquo ndash LHM) - nu
verifică regula măinii drepte astfel icircncacirct viteza de fază şi cea de grup
au sensuri diferite - permitivitatea electrică şi permeabilitatea
magnetică sunt negative
bull Materiale icircn care are loc refracţia negativă un fenomen anormal icircn
electromagnetism pentru care raza refractată este de aceeaşi parte ca
şi raza incidentă
bull Icircn realitate foarte străvechi pentru că le putem considera spre
exemplu sticlele colorate utilizate icircn vitraliile catedralelor
bull şi cristalele fotonice ( Fig17)
Fig17 piatra de opal a brăţării este un cristal fotonic
Ce este cristalul fotonic
Răspuns Cristalul fotonic este un mediu
dielectric periodic 1D 2D sau 3D avacircnd
periodicitatea de ordinul lungimii de undă
18
a undei electromagnetice realizat prin tehnologii de microprelucrare
Principala sa proprietate este structura de benzi fotonice Pentru o undă
monocromatica care se propagă icircntr-un cristal fotonic ideal va exista o
bandă de frecvenţă interzisă (bandgap) indiferent de direcţia undei şi
indiferent de starea de polarizare a undei Lord Rayleigh icircn 1887 a fost
primul care a arătat că se poate obţine o bandă interzisă sau band gap iar
temenul de laquo cristal fotonic raquo nu a fost introdus decacirct icircn 1987 odată cu
apariţia a două articole majore de Eli Yablonovitch şi Sajeev John Icircn
natură pe lacircngă cristalul de opal care are micro bile de siliciu repartizate
aproape uniform cristale fotonice se icircntacirclnesc şi icircn lumea animală la o
specie de vierme marin Afrodita şi la aripile fluturelui Cyanophrys remus ce
posedă o nano- arhitectură complexă la care culorile albastru metalic şi
verde sunt atribuite structurii de cristale fotonice Ele sunt compuse din
chitină şi aer iar aranjamentul formează o structură dielectrică periodică
Una dintre barierele existente icircn telecomunicaţii la ora actuală este
reprezentată de nodurile de procesare care conectează reţelele de fibră
optică noduri necesare pentru routarea informaţiilor La ora actuală nu
există o metoda ieftină şi eficientă ca acest proces sa fie unul icircn totalitate
optic transmisia optică trebuind să fie convertită icircn semnale electrice pentru
a fi procesată de echipamentele de routare după care la loc icircn semnale
optice pentru transmisia mai departe Acest lucru reprezintă o gacirctuire a
fluxului de date deoarece fibra optică poate transmite mult mai multă
informatie (şi mai rapid) decat firele de cupru Aceasta pentru că icircn fibra
optică transmisia este realizată pe lungimi
de undă diferite un fel de separare pe
culori De aceea ideea este de a realiza nişte
cristale fotonice (cu un exemplu de structură
19
ilustrată icircn imagine) care să separe aceste culori diferite de lumina albă şi să
le routeze icircntr-un mod eficient ( Fig18)
Fig18
5 Invizibilitatea
Pacircnă nu demult invizibilitatea ţinea de domeniul fantasticului Se
pare icircnsă că omul invizibil al lui Wells dar şi navele invizibile ale
klingonienilor din Star Trek sunt pe cale să coboare din literatura şi filmele
science-fiction icircn lumea reală Pelerina invizibilităţii este tot mai aproape
de realitate Cercetătorii au realizat două noi tipuri de materiale care reflectă
lumina icircn mod diferit ceea ce aduce mai aproape de realitate dispozitivul
supranumit pelerina invizibilităţii Unul dintre materiale foloseşte o plasă
din straturi metalice care reflectă icircn sens invers direcţia luminii icircn timp ce
20
al doilea foloseşte fire minuscule de argint Componenţa ambelor materiale
poate fi analizată la scară nanometrică Ambele creaţii ale oamenilor de
ştiinţă sunt metamateriale structuri realizate artificial care au proprietăţi ce
nu se icircntacirclnesc icircn natură cum ar fi indicele de refracţie negativ Două echipe
au lucrat separat la elaborarea materialelor
sub conducerea lui Xiang Zhang de la Centrul
de inginerie şi ştiinţă nanometrică din cadrul
Universităţii Berkley California Fiecare
dintre noile materiale are proprietăţi de
reflectare a luminii icircn valuri de lungime
limitată astfel icircncacirct nimeni nu le poate utiliza
pentru a ascunde clădiri de sateliţi a declarat
Jason Valentine membru al uneia dintre echipe De fapt nu ascundem
nimic Nu cred că trebuie să fim icircngrijoraţi de persoane invizibile care să
umble icircn jurul nostru icircn viitorul apropiat Să fiu cinstit suntem abia la
icircnceput icircn ceea ce priveşte cercetările privind invizibilitatea a spus
Valentine Echipa lui Valentine a realizat un material care influenţează
lumina din apropierea spectrului vizibil icircntr-o regiune folosită icircn cadrul
fibrelor optice Icircn materialele naturale indicele de refracţie care măsoară
modul icircn care lumina acţionează icircntr-un mediu este pozitiv a spus el
Atunci cacircnd vezi un peşte icircn apă acesta va apărea icircn faţa poziţiei icircn care se
află de fapt Dacă pui un băţ icircn apă acesta pare să se icircndoaie a precizat el
menţionacircnd că aceste iluzii sunt provocate de modul icircn care lumina se
refractă atunci cacircnd se mişcă icircntre apă şi aer
Icircnconjoară obiectul ce se doreşte invizibil cu un metamaterial (Fig19)care
să deformeze traseul razelor de lumină prin metamaterial ocolind obiectul
şi care să le recombine după obiect aşa cum erau icircnainte de obiect astfel
obiectul nu este vizibil
Fig19
21
Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de
pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns
profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific
cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991
de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru
Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors
niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru
Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea
Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul
timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al
bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici
au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale
cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că
obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci
cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a
spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi
mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu
are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric
vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un
obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a
acestuia
Foarte flexibil dar mai ales ldquoinvizibilrdquo Metaflex face parte din
categoria metamaterialelor capabile sa devieze traiectoria radiaţiilor făcacircnd
invizibile obiectele Metaflex a fost realizat de cercetătorul italian Andrea
22
Di Falco şi echipa lui de la Universitatea St Andrews din Scoţia Metaflex
constituie subiectul proiectului de cercetare icircn cadrul EPSRC( Engineering
and Physical Science Research Council) denumit bdquoMetaflex- materiale pe
straturi optice transparente flexibilerdquo avacircnd ca scop fabricarea
metamaterialelor icircn membrane foarte subţiri şi flexibile După cum au
explicat oamenii de ştiinţă icircntr-un articol publicat icircn New Journal of
Physics incredibila elasticitate a materialului permite imaginarea unor
aplicaţii SF precum hainele icircn măsura să-l facă pe cel care le poartă
invizibil Găsirea unei modalităţi de a ascunde obiecte de lumina vizibilă
este o veche idee fixă de-a oamenilor de ştiinţă Primele succese icircn acest
sens au fost reprezentate de crearea unor materiale cu caracteristici electrice
şi magnetice speciale Aceste metamateriale care au proprietăţile datorită
structurii geometrice a atomilor sunt icircn măsură să facă să treacă o radiaţie
electromagnetică icircn jurul unui obiect Astfel obiectul devine invizibil
deoarece eludează incidenţa şi reflexia radiaţiei Pacircnă astăzi cercetătorii au
reuşit să creeze materiale invizibile la microunde şi raze infraroşii dar nu şi
la lumina vizibilă Dificultatea de a face un obiect transparent la radiaţia
luminoasă stă icircn faptul că trebuie lucrat pe geometrii infinit de mici
capabile să interacţioneze cu lumina care are o lungime de undă de ordinul
a doar cacircteva sute de nanometri Odată depaşită această dificultate
cercetătorii s-au văzut nevoiţi să icircnfrunte o alta proiectarea unui meta-
material care sa nu fie rigid ci flexibil astfel icircncacirct să poată fi utilizat pentru
fabricarea obiectelor elastice Echipa lui Di Falco a reuşit să depăşească şi
acest ultim obstacol obţinacircnd un pătrăţel de cacircţiva centimetri pătraţi şi o
grosime de 4 micrometri care face obiectele transparente la lumina
portocalie Mai rămacircne de văzut dacă aceste caracteristici ale materialului se
modifică atunci cacircnd este icircndoit sau rămacircn neschimbate icircn primul caz
invenţia va deschide calea realizării unei noi clase de lentile icircn al doilea
punerii la punct a unei adevărate pelerine a invizibilităţii Flexibilitatea
23
metaflexului permite proiectarea şi fabricarea unui sistem de camuflaj
deoarece materialul se poate adapta mediului icircnconjurător
Icircn cadrul studiului lor un grup de cercetători germani si englezi
coordonaţi de Tolga Ergin şi Nicolas Stenger de la Institutul de Tehnologie
din Karlsruhe au utilizat mantaua tridimensională pentru a face invizibilă o
protuberanţă de pe o suprafaţă de aur Mantaua este compusă din lentile
speciale asamblate icircntr-o structură polimerică lentile a căror caracteristică
este aceea de a se lega parţial de undele luminoase astfel icircncacirct să icircmpiedice
lumina să se difuzeze Toate structurile de acest gen realizate pacircnă icircn
prezent sunt bidimensionale dar ulterior a demonstrat că poate funcţiona şi
icircn 3D a precizat Ergin Aşa-numitele materiale ale invizibilităţii sunt
nanomateriale cu dimensiuni de ordinul milionimilor de metru Sunt
capabile sa devieze undele luminoase orientacircndu-le icircn jurul unui obiect
pacircnă cacircnd icircl icircnfăşoară ca o găoace aceasta comportacircndu-se de fapt ca o
manta a invizibilităţii
Obiectele pot fi făcute să pară invizibile lungimilor mari de undă
precum cele utilizate de radare dar nu şi acelora mai mici caracteristice
luminii Oamenii de ştiinţă speră să creeze materiale capabile să forţeze
circularea pe lacircngă un obiect a luminii astfel icircncacirct să icircl mascheze icircn faţa
ochiului uman şi să icircl facă practic invizibil Suprafeţele vor putea fi astfel
determinate să manipuleze toate formele de radiaţie cum ar fi lumina
microundele sau radiaţia
terahertziană conducacircnd la potenţiale
aplicaţii icircn medicină securitate şi
comunicaţii Echipele de cercetare
24
sunt coordonate de profesorul Sir John Pendry o autoritate de talie
mondiala icircn fizică de la ICL care a propus pentru prima oară icircn anul 2006
şi de către profesorul Ştefan Maier un vacircrf de lance icircn domeniul
plasmonicii sau tehnologiei undelor electromagnetice
Fig21 Exemplu de camuflaj vizibil Bombardier Stealth (SUA) ndash negru
(absorbant) icircn microunde şi vizibil
6 Bibliografie
Metaflex-mirajul invizibilităţii Revista Evrika nr12 decembrie 2010
George Nemeş Materiale cu indice de refracţie negativ (metamateriale)
Principii fizice si perspective 2005
G V Eleftheriades K G Balmain Negative-Refraction Metamaterials
Fundamental Principles and Applications Wiley Canada 2005
25
C Caloz T Itoh Electromagnetic Metamaterials Transmission Line
Theory and Microwave Applications Wiley Hoboken NJ 2006
Metaflex-primul material cu adevărat invizibil wwwdescoperăro
N Garcia and M Nieto-Vesperinas Phys Rev Lett 88 207403 (2002)
Sergiu Langa şi Ion Tighineanu UNIVERSITATEA TEHNICĂ A
MOLDOVEI FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE vol 1 nr 4 2000
httpwwwstandrewsacuk~ulfinvisibilityhtml
26
- Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de domeniul science fiction a declarat profesorul Milton
- Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991 de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
- Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a acestuia
-
1 Introducere
Ştiinţa este fascinantă nu numai datorită faptului că descoperă noi şi
noi domenii de cercetare dar şi datorită capacităţii sale de a descoperi
lucruri absolut noi icircn domeniile ldquovechi de cacircnd lumeardquo unde nimeni nu s-ar
aştepta să se mai facă vreo descoperire uluitoare Puţini icircşi pot icircnchipui că şi
bine cunoscuta optică geometrică poate fi reconsiderată sau redescoperită de
ştiinţă
Orice persoană iniţiată icircntr-o măsură oarecare icircn fizică cunoaşte că
toate materialele pot fi caracterizate din punct de vedere al interacţiunii lor
cu cacircmpurile electromagnetice prin doi parametri numiţi permeabilitatea
magnetică (μ) şi permitivitatea electrică (ε) Aceşti parametri determină
complet modul de interacţiune a radiaţiei electromagnetice cu materialul
respectiv Cei mai puţin iniţiaţi icircn fizică nu sunt familiarizaţi cu μ si ε ci cu
indicele de refracţie n care nu este altceva decacirct o generalizare a celor doi
parametri (μ si ε) icircn unul singur (n) Pacircnă nu demult se considera că indicele
de refracţie al materialelor obişnuite poate lua numai valori pozitive mai
mari decacirct 1 Icircnsă nimeni nu ne icircmpiedică sa considerăm cel puţin
imaginar că există materiale la care indicele de refracţie ia valori mai mici
ca 1 sau chiar negative
Victor Georgievich Veselago născut icircn 1929 icircn Ucraina URSS
fizician rus la Institutul de fizică generală al Academiei de Ştiinţe din
Moscova care icircn 1967 a fost primul care a teoretizat existenţa materialelor
cu indici de refracţie negativi El a demonstrat icircn una din lucrările sale că
dacă permitivitatea şi permeabilitatea unui material sunt simultan negative
3
indicele de refracţie al acestui material va fi de asemenea negativ Icircn această
afirmaţie este ascuns un element de noutate ştiinţifică care poate duce la
reconsiderarea opticii geometrice cunoscute pacircnă
acum
bull Imagini ale propagării luminii icircntr-un
bicristal YVO4 descriind refracţia totala
Icircn cristalul de sus se prezintă un exemplu
de refracţie negativă iar in cristalul de jos
refracţie pozitivă( Fig1)
Munca de cercetare a lui Veselago a rămas necunoscută mult timp pacircnă
cacircnd fanteziile lui matematice au fost concretizate prin crearea unor
superlentile Interesul faţă de materialele cu indicele de refracţie negativ a
fost icircnsă reicircnviat cu cacircţiva ani icircn urma (1999) cacircnd fizicianul englez John
Pendry de la Imperial College din Londra a propus să se construiască cu
ajutorul acestor materiale lentile perfecte
Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au
descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut
publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că
omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The
Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea
din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme
Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn
Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and
Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu
ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de
domeniul science fiction a declarat profesorul Milton
4
2 Refracţia pozitivă
Refracţia este schimbarea direcţiei de propagare a unei unde din
cauza schimbării vitezei de propagare cel mai adesea la interfaţa dintre
două medii Cel mai uşor de observat exemplu este icircn cazul luminii atunci
cacircnd aceasta trece dintr-un mediu transparent (aer apă sticlă etc) icircn altul
Totuşi fenomenul se petrece cu toate undele inclusiv cu cele sonore La
interfaţa dintre două medii viteza de fază și lungimea de undă se modifică
unda icircși schimbă direcţia icircnsă frecvenţa rămacircne aceeaşi Icircn optică pentru
studiul refracţiei se foloseşte noţiunea de indice de refracţie care este direct
legată de viteza de propagare Lentilele și prismele optice se bazează pe
fenomenul de refracţie pentru a modifica direcţia razelor de lumină Odată
cu refracţia are loc și reflexia adică o parte a undei se reflectă icircnapoi icircn
mediul iniţial după legile obişnuite ale reflexiei (cu excepţia cazului icircn care
unghiul de incidenţă este nul sau dacă avem de-a face cu materiale speciale
cu indice de refracţie negativ) Fig2
Cel mai adesea icircn viaţa de zi
cu zi se poate observa refracţia
atunci cacircnd privim icircntr-un vas cu
apă obiectele par a fi mai aproape
de suprafaţă decacirct sunt iar poziţia
lor pare a se schimba odată cu
unghiul din care sunt privite (Fig2) Pentru a determina poziţia unui obiect
creierul uman analizează o pereche de raze de lumină venite de la acel
5
obiect icircncercacircnd să afle unde se intersectează De aceea icircn imaginile
alăturate sunt prezentate perechi de raze care se refractă icircmpreună (deşi sub
un unghi uşor diferit din cauza unghiurilor de incidenţă diferite)
Tot refracţia este fenomenul din spatele curcubeului (Fig3) ori a
mirajelor care apar de exemplu icircn deşert sau vara cacircnd asfaltul este icircncălzit
( Fig4) atunci cacircnd temperatura aerului variază foarte rapid cu icircnălţimea
Fig3 Fig4
Icircn mod similar poziţiile reale ale astrelor de pe cer nu sunt cele
aparente mai ales atunci cacircnd aceste astre se văd aproape de orizont intracircnd
icircn atmosferă pieziş ele se refractă progresiv din cauza dependenţei indicelui
de refracţie al aerului de altitudine (icircn principal prin intermediul presiunii)
Aşa se explică şi variaţia discontinuă a poziţiei şi formei Soarelui atunci
cacircnd apune ori răsare
Fig5 Un miraj artificial se obţine folosind
soluţie de zahăr icircn care indicele de refracţie
descreşte de la bază la vacircrful cuvei Pisica apare
icircn imagini multiple
Un fenomen asemănător apare icircn cazul undelor
electromagnetice emise de şi către sateliţi icircn
mod normal devierea este nesemnificativă dar
icircn cazul semnalelor GPS ea trebuie calculată
pentru a se putea obţine o precizie mai bună a
poziţiei determinate Se poate remarca de asemenea faptul că refracţia este
similară unei probleme matematice se dau două puncte aflate icircn medii
6
diferite (icircn sensul că viteza de deplasare prin cele două medii diferă) se cere
drumul optim icircntre cele două puncte Intuitiv problema poate fi enunţată
astfel o persoană se află pe plajă şi trebuie să ajungă la o baliză aflată icircn
apă (se presupune că linia ţărmului este o dreaptă) care este drumul optim
(din punct de vedere temporal) ţinacircnd cont că pe plajă aleargă mai repede
decacirct icircnoată icircn apă Desigur că soluţia depinde de raportul vitezelor icircn cele
două medii (icircn cazul luminii acest raport se numește indice de refracţie) O
rază de lumină care porneşte dintr-un punct aflat icircn unul dintre medii va
urma tocmai acest drum optim pentru a ajunge la un punct din celălalt
mediu Icircn cazul refracţiei pozitive raza se va propaga intr-o direcţie situată
icircntre perpendiculara pe suprafaţa
materialului şi direcţia razei iniţiale
Fig6
Pe de altă parte icircn cazul indicelui de
refracţie negativ n lt0 unghiul de
refracţie va fi de asemenea negativ raza refractată se va situa prin urmare de
partea stacircngă a normalei la suprafaţa materialului ( Fig6)
Indicele de refracţie al unui mediu este raportul dintre viteza luminii in vid
şi viteza luminii icircn acel mediu Datorită faptului că lumina de frecvenţe
diferite călătoreşte la viteze diferite icircntr-un mediu indicele de refracţie este
diferit pentru lumina de frecvenţe diferite Asta icircnseamnă că lumina de
culori diferite este refractată la unghiuri diferite cacircnd trece dintr-un mediu icircn
altul Efectul obţinut este dispersia luminii la trecerea acesteia prin prisma
optică Pentru cacircteva substanţe indicele de refracţie este 1000 pentru vid
10003 pentru aer 1309 pentru gheaţă 152 pentru sticlă crown 192
pentru zircon şi 242 pentru diamant
Legea refracţiei Snell-Descartes importantă lege numită astfel
după matematicianul olandez Willebrord Snell şi francezul Descartes
7
afirmă că produsul indicelui de refracţie şi sinusul unghiului de incidenţă al
unei raze icircntr-un mediu este egal cu produsul indicelui de refracţie şi
sinusului unghiului de refracţie icircntr-un mediu succesiv adică
Indicele de refracţie al unui mediu este caracterizat prin două mărimi
micror ndash permeabilitatea magnetică relativă şi εr- permitivitatea electrică relativă
ale mediului considerat astfel avem relaţia
8
3 Refracţia negativă
Refracţia negativă este un fenomen anormal icircn electromagnetism
pentru care raza refractată este de aceeaşi parte ca şi raza incidentă (vezi
figura alăturată) unde icircn cazul a) refracţia este icircntr-un material obişnuit ( n
gt 1) şi icircn cazul b) refracţia este neobişnuită icircn material cu indicele de
refracţie negativ (n lt 0) Deoarece unghiul de incidenţă i ia valori intre 0 si
2π respectiv sin i va fi mai mare ca
zero De aici rezultă că semnul lui sin
r va coincide cu semnul indicelui de
refracţie al materialului n
Fig7
Astfel dacă n gt 1 unghiul de refracţie va fi unul pozitiv (Fig 7a) şi mai mic
ca unghiul de incidenţă Adică raza se va propaga intr-o direcţie situată icircntre
perpendiculara pe suprafaţa materialului şi direcţia razei iniţiale Pe de altă
parte icircn cazul indicelui de refracţie negativ n lt 0 unghiul de refracţie va fi
de asemenea negativ ( Fig7b) Deci raza refractată se va situa de partea
stacircngă a normalei la suprafaţa materialului O astfel de refracţie ldquonegativărdquo
este total neobişnuită pentru materialele icircntacirclnite icircn natură
Printre consecinţele imediate ale refracţiei negative putem enumera
următoarele
1 Din punctul de vedere al opticii ondulatorii un material cu indicele de
refracţie negativ va modifica unda de lumină icircntr-un aşa mod icircncacirct unda va
produce vibraţii icircntr-o direcţie iar energia undei se va propaga icircn sens opus
9
2 Efectul Doppler va fi inversat adică frecvenţa unei surse de lumină care
se apropie de observator nu se va mări (deplasarea spre violet) cum este
firesc ci se va micşora (deplasarea spre roşu)
3 Efectul Cerenkov va fi de asemenea inversat Deci lumina generată
datorită faptului că mediul respectiv este traversat de o particulă icircncărcată va
fi emisă icircn spatele particulei şi nu icircn faţa ei
4 După cum a arătat Veselago icircn lucrările sale o simplă pană plan-paralelă
va funcţiona ca o lentilă creacircnd o imagine a obiectului icircn interiorul penei şi
alta de partea cealaltă a ei (Fig8) Această
proprietate ar simplifica considerabil
fabricarea lentilelor deoarece nu ar mai fi
necesar de a se prelucra lentila pentru a fi
convexă sau concavă după caz O astfel de
lentilă ar fi mai puţin capricioasă decacirct
lentilele obişnuite din simplul motiv că
obiectul ar putea fi situat icircn orice poziţie faţă
de lentilă şi nu numai pe axa ei cum e cazul
lentilelor obişnuite
5 O altă consecinţă a indicelui de refracţie negativ pe care se bazează ideea
lui J Pendry cu privire la lentilele perfecte este că undele evanescente ale
unui corp ar putea fi amplificate de o lentilă cu indicele de refracţie negativ
Undele evanescente ale unui corp au o lungime de undă foarte mică şi de
obicei nu părăsesc suprafaţa corpurilor Datorită lungimii de undă mici ele
conţin informaţia cea mai detaliată despre corp
6 Se ştie că atunci cacircnd privim intr-un vas cu apă adacircncimea acestui vas
pare a fi mult mai mică decacirct este icircn realitate
Acest efect se datorează
faptului că indicele de
refracţie al apei este pozitiv
10
Fig8pană plan-paralelă va funcţiona ca o lentilă creacircnd o imagine a obiectului icircn interiorul penei şi alta de partea cealaltă a ei
Admiţacircnd icircnsă că apa ar avea un indice de refracţie negativ adacircncimea
vasului cu apă nu ni s-ar mai părea a fi prea mică ci din contra vasul ar
părea mult mai adacircnc decacirct este icircn realitate iar un creion icircn paharul cu apă
se va vedea ca icircn fotografia alăturată stacircnga ( Fig9)
7 Comportarea lentilelor la lumină este inversă decacirct in cazul obişnuit
(a) Lentila convexă efect divergent
(b) Lentila concavă efect convergent
Notă Similar se icircntacircmplă icircn microunde şi icircn domeniul X pentru materialele
transparente cu 0 lt n lt 1 (nu au n lt 0)
8 Imaginea obiectelor printr-un material cu indice de refracţie negativ va fi
situată ca icircn Fig10 de mai jos unde se observă
bull imaginea peştelui situat icircn apă mai sus decacirct icircn realitate dar icircn interiorul
apei pentru indice de refracţie pozitiv- refracţie pozitivă
bull imaginea peştelui situat icircn apă mai sus decacirct icircn realitate dar icircn exteriorul
apei pentru indice de refracţie negativ- refracţie negativă
Fig10
11
4 Metamateriale
Materialele cu indicele de refracţie negativ se mai numesc şi
ldquomateriale de stacircngardquo (icircn engleză ldquoleft-handed materialsrdquo (LHM)) Icircn
materialele obişnuite adică icircn cele cu n gt 1 poziţia relativă a vectorilor
cacircmpului magnetic şi electric al unei unde se poate afla foarte uşor folosind
aşa-numita ldquoregulă a macircinii drepterdquo Se ştie că unda electromagnetică are
reprezentarea prin cei doi vectori E ndash intensitatea cacircmpului electric şi B-
inducţia cacircmpului magnetic vectori perpendiculari unul pe altul şi pe
direcţia de propagare a undei marcată prin vectorul k (Fig11)
Fig11
Pentru materialele cu indicele de refracţie negativ această regulă nu
mai este valabilă fiind necesar să se folosească ldquoregula macircinii stacircngirdquo De
aici şi provine denumirea de materiale ldquode stacircngardquo Ele mai sunt numite şi
materiale cu undă inversată (ldquobackward wave materialsrdquo (BWM) aceasta
fiind o aluzie la faptul că energia undei se propagă icircn sens opus faţă de
sensul de propagare al undei Icircnsă de cele mai multe ori ele sunt numite
materiale cu indice negativ (ldquonegative index materialsrdquo (NIM)) sau
materiale cu indice de refracţie negativ (ldquonegative refractive indexrdquo (NRI))
Este interesant faptul că materiale cu valori negative ale unuia din cei doi
parametri (ε sau μ) se icircntacirclnesc şi icircn natură De exemplu icircn unele metale
12
cum ar fi argintul sau semiconductori la anumite frecvenţe şi condiţii
exterioare ε ia valori negative Un alt exemplu icircl constituie aşa-numită
plasmă neutră fără coliziuni (puternic rarefiată) care nu este prea comună icircn
viaţa de toate zilele O astfel de plasmă are permitivitatea negativă la
frecvenţe mai mici decacirct aşa numita ldquofrecvenţă de plasmărdquo De asemenea
există o serie de materiale feromagnetice şi antiferomagnetice ale căror
permeabilităţii magnetice μ au valori negative
Icircn 1996 Pendry a anunţat că a obţinut un material artificial care fiind
expus acţiunii undelor electromagnetice are un răspuns asemănător cu cel al
plasmei neutre fără coliziuni deci are permitivitatea electrică ε negativă
Materialul raportat de Pendry reprezintă un masiv de conductori plasaţi
paralel la anumite distanţe unul de altul Cacircţiva ani mai tacircrziu Pendry a
anunţat fabricarea unui alt tip de material
artificial ndash aşa-numitul rezonator cu inele
deschise (split-ring rezonator (SRR) a
cărui permeabilitate magnetică μ icircntr-un
anumit domeniu de frecvenţe are valoare
negativă De aici şi pacircnă la realizarea ideii
lui Veselago nu mai rămăsese mult
Combinarea celor două materiale propuse
de Pendry ar forma un material cu valori
negative aticirct pentru permitivitatea electrică
ε cacirct şi pentru permeabilitatea magnetică μ Figura alăturată ne dă o
imagine cum ar putea arăta un astfel de material ( Fig11)
13
Fig12 Metamaterialul compus din inele şi fire metalice care are indice de refracţie negativ material cu valori negative aticirct pentru permitivitatea electrică ε cacirct şi pentru permeabilitatea magnetică μ
Măsurările electromagnetice ale materialelor propuse de Pendry au
fost realizate de D Smith şi echipa sa de la Universitatea din California
SUA Icircn cazul primului material (cu permitivitatea ε negativă) s-a observat
că există un anumit interval de frecvenţe icircn care toate microundele sunt
reflectate Folosind o noţiune din domeniul cristalelor fotonice putem spune
că acest material are o bandă interzisă pentru un anumit interval de
frecvenţe Este surprinzător faptul că dacă se combină acest material cu
materialul al doilea propus de Pendry undele din acelaşi interval nu mai
sunt reflectate ci transmise de material După un şir de alte experimente
Smith et al au ajuns la concluzia că metamaterialul compus din cele două
materiale propuse de Pendry icircndeplinesc condiţiile formulate de Veselago
pentru ca un material să aibă indicele de refracţie negativ Smith spune că
refracţia negativă observată de ei nu este mică ci din contra poate ajunge
chiar pacircnă la 80deg faţă de normala pe suprafaţa de incidenţă Imediat după
publicarea rezultatelor obţinute de Smith şi colaboratorii săi un alt grup de
cercetători de această dată de la Toronto Canada a anunţat că a reuşit
fabricarea unui material cu proprietăţi asemănătoare dar care are o structură
mult mai simplă decacirct cel investigat de echipa lui Smith Mai mult ca atacirct
Shalaev de la Universitatea din Purdue SUA au propus o structură care ar
permite fabricarea peliculelor subţiri cu indicele de refracţie negativ iar o
echipă din Elveţia a anunţat că este pe cale de a fabrica o structură
tridimensională cu indicele de refracţie negativ
Icircn pofida faptului că au fost publicate multe articole care pretind că a
fost observată experimental refracţia negativă icircn diferite materiale icircn lume
există cercetători care continuă să creadă că aşa ceva este contrar legilor
naturii şi că toate măsurătorile efectuate pacircnă acum nu sunt decicirct nişte
bdquoartefacterdquo experimentale W Kohn de la Universitatea din California
14
SUA spune ldquoMaterialele cu indice de refracţie negativ reprezintă o idee
genială icircnsă nu aş fi surprins dacă nu s-ar găsi multe aplicaţii ale acestor
materialerdquo Este suficient să ne aducem aminte că imediat după inventarea
laserului comunitatea ştiinţifică a fost surprinsă că s-a lucrat atacirct de mult
pentru a-l obţine iar aplicaţiile momentane ale laserului erau atacirct de
limitate Astăzi aplicaţiile laserului sunt atacirct de diverse şi multiple icircncacirct
este greu să ţi le imaginezi Să sperăm că istoria se va repeta şi icircn cazul
materialelor cu indicele de refracţie negativ
Pentru ca indicele de refracţie n să fie o mărime care să aibă
semnificaţie fizică (să existe) este nevoie de material omogen sau cvasi-
omogen (scala spaţială aneomogenităţilor periodice p să fie p ltlt l sau p lt
l4 ) Exemple de materiale omogene pentru lumina vizibilă (500 nm) sunt
gaze lichide solide transparente Exemple de neomogenităţi neglijabile
pentru lumina vizibilă sunt atomi molecule unde diametre atomice sunt
001 nm ndash 01 nm iar dimensiunile legăturilor atomice sunt 01 nm ndash 02
nm (legătura C-C 0154 nm hexagon benzen 0280 nm) diametrul
moleculei de ulei asymp 20 nm - 25 nm De comparat cu lungimea de undă icircn
vizibil λ asymp 500 nm
Exemple de structuri periodice Pendry
15
Fig13
(a) Tije metalice (ε lt 0 pt E II z) (b) Inele icircntrerupte (micro lt 0 pt H II y)
Icircn ambele cazuri p ltlt l
Primele experimente au fost realizate cu metamaterial cu n lt 0 icircn
microunde (J B Pendry D R Smith Phys Today June 2004)
(a) Structura rezonantă inele icircntrerupte şi tije
metalice (sacircrme vizibile icircn spatele suporţilor
verticali)
(b) Banda spectrală pentru εr lt 0 şi micror lt 0
(c) Spectrul de putere transmisă numai tije
metalice verde numai inele icircntrerupte
albastru ambele roşu transmisie =
propagare
Fig14
Icircn topul descoperirilor pentru Nobel 2010 a fost şi cel oferit pentru
predicţia descoperirea şi dezvoltarea metamaterialelor negative - (Victor
Veselago John Pendry David Smith Xiang Zhang Sheldon Schultz Ulf
Leonhardt) Metamateriale sunt compuse
din componente mici cum ar fi inele mici si
tije Ele produc efecte optice noi
Refracţia negativă in microunde (J B
Pendry D R Smith Phys Today June
2004)
16
(a) Prismă cu n lt 0 simulare
(b) Prismă cu n gt 0 (teflon) simulare
(c) Experiment prismă metamaterial n lt 0
(d) Experiment prismă teflon
Fig15
Progrese icircn microunde prin realizarea unei
prisme din metamaterial pentru microunde
(Costas M Soukoulis este un distins profesor
de fizică al Iowa State University şi senior
fizician la Ames Laboratory Cartea sa
include Photonic Band Gap Materials and
Photonic Crystals and Light Localization in the Twenty-First Century
2006)
Acest cristal fotonic este o Lentilă Veselago-Pendry pentru
microunde cu indice de refactie n = -1 rezoluţie spaţială lt l (Fig16)
Sir John Brian Pendry este un fizician englez cunoscut pentru studiile
sale privind indicele de refracţie El a creat ldquopelerina invizibilităţiirdquo
(Invisibility Cloak) El este acum la catedra de fizică teoretică a stării
solide al Imperial College London Icircn 2006 primeşte Medalia Regală - The
Royal Medal of the Royal Society of London
Fig16
Astăzi s-au realizat metamateriale pentru
infraroşu şi vizibil domeniul optic fiind icircn
plină cercetare pentru realizarea invizibilităţii
17
Metamateriale sunt
bull materiale artificiale caracterizate de proprietăţi (electromagnetice)
care provin din structura acestora şi nu direct din proprietăţile
materialelor care le compun
bull Materiale prezintă anumite caracteristici structurale comparabile ca
dimensiune cu lungimea de undă a radiaţiei electromagnetice cu care
interacţionează
bull metamaterialele ldquostacircngirdquo (ldquoleft handed metamaterialrdquo ndash LHM) - nu
verifică regula măinii drepte astfel icircncacirct viteza de fază şi cea de grup
au sensuri diferite - permitivitatea electrică şi permeabilitatea
magnetică sunt negative
bull Materiale icircn care are loc refracţia negativă un fenomen anormal icircn
electromagnetism pentru care raza refractată este de aceeaşi parte ca
şi raza incidentă
bull Icircn realitate foarte străvechi pentru că le putem considera spre
exemplu sticlele colorate utilizate icircn vitraliile catedralelor
bull şi cristalele fotonice ( Fig17)
Fig17 piatra de opal a brăţării este un cristal fotonic
Ce este cristalul fotonic
Răspuns Cristalul fotonic este un mediu
dielectric periodic 1D 2D sau 3D avacircnd
periodicitatea de ordinul lungimii de undă
18
a undei electromagnetice realizat prin tehnologii de microprelucrare
Principala sa proprietate este structura de benzi fotonice Pentru o undă
monocromatica care se propagă icircntr-un cristal fotonic ideal va exista o
bandă de frecvenţă interzisă (bandgap) indiferent de direcţia undei şi
indiferent de starea de polarizare a undei Lord Rayleigh icircn 1887 a fost
primul care a arătat că se poate obţine o bandă interzisă sau band gap iar
temenul de laquo cristal fotonic raquo nu a fost introdus decacirct icircn 1987 odată cu
apariţia a două articole majore de Eli Yablonovitch şi Sajeev John Icircn
natură pe lacircngă cristalul de opal care are micro bile de siliciu repartizate
aproape uniform cristale fotonice se icircntacirclnesc şi icircn lumea animală la o
specie de vierme marin Afrodita şi la aripile fluturelui Cyanophrys remus ce
posedă o nano- arhitectură complexă la care culorile albastru metalic şi
verde sunt atribuite structurii de cristale fotonice Ele sunt compuse din
chitină şi aer iar aranjamentul formează o structură dielectrică periodică
Una dintre barierele existente icircn telecomunicaţii la ora actuală este
reprezentată de nodurile de procesare care conectează reţelele de fibră
optică noduri necesare pentru routarea informaţiilor La ora actuală nu
există o metoda ieftină şi eficientă ca acest proces sa fie unul icircn totalitate
optic transmisia optică trebuind să fie convertită icircn semnale electrice pentru
a fi procesată de echipamentele de routare după care la loc icircn semnale
optice pentru transmisia mai departe Acest lucru reprezintă o gacirctuire a
fluxului de date deoarece fibra optică poate transmite mult mai multă
informatie (şi mai rapid) decat firele de cupru Aceasta pentru că icircn fibra
optică transmisia este realizată pe lungimi
de undă diferite un fel de separare pe
culori De aceea ideea este de a realiza nişte
cristale fotonice (cu un exemplu de structură
19
ilustrată icircn imagine) care să separe aceste culori diferite de lumina albă şi să
le routeze icircntr-un mod eficient ( Fig18)
Fig18
5 Invizibilitatea
Pacircnă nu demult invizibilitatea ţinea de domeniul fantasticului Se
pare icircnsă că omul invizibil al lui Wells dar şi navele invizibile ale
klingonienilor din Star Trek sunt pe cale să coboare din literatura şi filmele
science-fiction icircn lumea reală Pelerina invizibilităţii este tot mai aproape
de realitate Cercetătorii au realizat două noi tipuri de materiale care reflectă
lumina icircn mod diferit ceea ce aduce mai aproape de realitate dispozitivul
supranumit pelerina invizibilităţii Unul dintre materiale foloseşte o plasă
din straturi metalice care reflectă icircn sens invers direcţia luminii icircn timp ce
20
al doilea foloseşte fire minuscule de argint Componenţa ambelor materiale
poate fi analizată la scară nanometrică Ambele creaţii ale oamenilor de
ştiinţă sunt metamateriale structuri realizate artificial care au proprietăţi ce
nu se icircntacirclnesc icircn natură cum ar fi indicele de refracţie negativ Două echipe
au lucrat separat la elaborarea materialelor
sub conducerea lui Xiang Zhang de la Centrul
de inginerie şi ştiinţă nanometrică din cadrul
Universităţii Berkley California Fiecare
dintre noile materiale are proprietăţi de
reflectare a luminii icircn valuri de lungime
limitată astfel icircncacirct nimeni nu le poate utiliza
pentru a ascunde clădiri de sateliţi a declarat
Jason Valentine membru al uneia dintre echipe De fapt nu ascundem
nimic Nu cred că trebuie să fim icircngrijoraţi de persoane invizibile care să
umble icircn jurul nostru icircn viitorul apropiat Să fiu cinstit suntem abia la
icircnceput icircn ceea ce priveşte cercetările privind invizibilitatea a spus
Valentine Echipa lui Valentine a realizat un material care influenţează
lumina din apropierea spectrului vizibil icircntr-o regiune folosită icircn cadrul
fibrelor optice Icircn materialele naturale indicele de refracţie care măsoară
modul icircn care lumina acţionează icircntr-un mediu este pozitiv a spus el
Atunci cacircnd vezi un peşte icircn apă acesta va apărea icircn faţa poziţiei icircn care se
află de fapt Dacă pui un băţ icircn apă acesta pare să se icircndoaie a precizat el
menţionacircnd că aceste iluzii sunt provocate de modul icircn care lumina se
refractă atunci cacircnd se mişcă icircntre apă şi aer
Icircnconjoară obiectul ce se doreşte invizibil cu un metamaterial (Fig19)care
să deformeze traseul razelor de lumină prin metamaterial ocolind obiectul
şi care să le recombine după obiect aşa cum erau icircnainte de obiect astfel
obiectul nu este vizibil
Fig19
21
Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de
pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns
profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific
cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991
de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru
Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors
niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru
Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea
Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul
timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al
bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici
au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale
cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că
obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci
cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a
spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi
mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu
are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric
vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un
obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a
acestuia
Foarte flexibil dar mai ales ldquoinvizibilrdquo Metaflex face parte din
categoria metamaterialelor capabile sa devieze traiectoria radiaţiilor făcacircnd
invizibile obiectele Metaflex a fost realizat de cercetătorul italian Andrea
22
Di Falco şi echipa lui de la Universitatea St Andrews din Scoţia Metaflex
constituie subiectul proiectului de cercetare icircn cadrul EPSRC( Engineering
and Physical Science Research Council) denumit bdquoMetaflex- materiale pe
straturi optice transparente flexibilerdquo avacircnd ca scop fabricarea
metamaterialelor icircn membrane foarte subţiri şi flexibile După cum au
explicat oamenii de ştiinţă icircntr-un articol publicat icircn New Journal of
Physics incredibila elasticitate a materialului permite imaginarea unor
aplicaţii SF precum hainele icircn măsura să-l facă pe cel care le poartă
invizibil Găsirea unei modalităţi de a ascunde obiecte de lumina vizibilă
este o veche idee fixă de-a oamenilor de ştiinţă Primele succese icircn acest
sens au fost reprezentate de crearea unor materiale cu caracteristici electrice
şi magnetice speciale Aceste metamateriale care au proprietăţile datorită
structurii geometrice a atomilor sunt icircn măsură să facă să treacă o radiaţie
electromagnetică icircn jurul unui obiect Astfel obiectul devine invizibil
deoarece eludează incidenţa şi reflexia radiaţiei Pacircnă astăzi cercetătorii au
reuşit să creeze materiale invizibile la microunde şi raze infraroşii dar nu şi
la lumina vizibilă Dificultatea de a face un obiect transparent la radiaţia
luminoasă stă icircn faptul că trebuie lucrat pe geometrii infinit de mici
capabile să interacţioneze cu lumina care are o lungime de undă de ordinul
a doar cacircteva sute de nanometri Odată depaşită această dificultate
cercetătorii s-au văzut nevoiţi să icircnfrunte o alta proiectarea unui meta-
material care sa nu fie rigid ci flexibil astfel icircncacirct să poată fi utilizat pentru
fabricarea obiectelor elastice Echipa lui Di Falco a reuşit să depăşească şi
acest ultim obstacol obţinacircnd un pătrăţel de cacircţiva centimetri pătraţi şi o
grosime de 4 micrometri care face obiectele transparente la lumina
portocalie Mai rămacircne de văzut dacă aceste caracteristici ale materialului se
modifică atunci cacircnd este icircndoit sau rămacircn neschimbate icircn primul caz
invenţia va deschide calea realizării unei noi clase de lentile icircn al doilea
punerii la punct a unei adevărate pelerine a invizibilităţii Flexibilitatea
23
metaflexului permite proiectarea şi fabricarea unui sistem de camuflaj
deoarece materialul se poate adapta mediului icircnconjurător
Icircn cadrul studiului lor un grup de cercetători germani si englezi
coordonaţi de Tolga Ergin şi Nicolas Stenger de la Institutul de Tehnologie
din Karlsruhe au utilizat mantaua tridimensională pentru a face invizibilă o
protuberanţă de pe o suprafaţă de aur Mantaua este compusă din lentile
speciale asamblate icircntr-o structură polimerică lentile a căror caracteristică
este aceea de a se lega parţial de undele luminoase astfel icircncacirct să icircmpiedice
lumina să se difuzeze Toate structurile de acest gen realizate pacircnă icircn
prezent sunt bidimensionale dar ulterior a demonstrat că poate funcţiona şi
icircn 3D a precizat Ergin Aşa-numitele materiale ale invizibilităţii sunt
nanomateriale cu dimensiuni de ordinul milionimilor de metru Sunt
capabile sa devieze undele luminoase orientacircndu-le icircn jurul unui obiect
pacircnă cacircnd icircl icircnfăşoară ca o găoace aceasta comportacircndu-se de fapt ca o
manta a invizibilităţii
Obiectele pot fi făcute să pară invizibile lungimilor mari de undă
precum cele utilizate de radare dar nu şi acelora mai mici caracteristice
luminii Oamenii de ştiinţă speră să creeze materiale capabile să forţeze
circularea pe lacircngă un obiect a luminii astfel icircncacirct să icircl mascheze icircn faţa
ochiului uman şi să icircl facă practic invizibil Suprafeţele vor putea fi astfel
determinate să manipuleze toate formele de radiaţie cum ar fi lumina
microundele sau radiaţia
terahertziană conducacircnd la potenţiale
aplicaţii icircn medicină securitate şi
comunicaţii Echipele de cercetare
24
sunt coordonate de profesorul Sir John Pendry o autoritate de talie
mondiala icircn fizică de la ICL care a propus pentru prima oară icircn anul 2006
şi de către profesorul Ştefan Maier un vacircrf de lance icircn domeniul
plasmonicii sau tehnologiei undelor electromagnetice
Fig21 Exemplu de camuflaj vizibil Bombardier Stealth (SUA) ndash negru
(absorbant) icircn microunde şi vizibil
6 Bibliografie
Metaflex-mirajul invizibilităţii Revista Evrika nr12 decembrie 2010
George Nemeş Materiale cu indice de refracţie negativ (metamateriale)
Principii fizice si perspective 2005
G V Eleftheriades K G Balmain Negative-Refraction Metamaterials
Fundamental Principles and Applications Wiley Canada 2005
25
C Caloz T Itoh Electromagnetic Metamaterials Transmission Line
Theory and Microwave Applications Wiley Hoboken NJ 2006
Metaflex-primul material cu adevărat invizibil wwwdescoperăro
N Garcia and M Nieto-Vesperinas Phys Rev Lett 88 207403 (2002)
Sergiu Langa şi Ion Tighineanu UNIVERSITATEA TEHNICĂ A
MOLDOVEI FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE vol 1 nr 4 2000
httpwwwstandrewsacuk~ulfinvisibilityhtml
26
- Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de domeniul science fiction a declarat profesorul Milton
- Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991 de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
- Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a acestuia
-
indicele de refracţie al acestui material va fi de asemenea negativ Icircn această
afirmaţie este ascuns un element de noutate ştiinţifică care poate duce la
reconsiderarea opticii geometrice cunoscute pacircnă
acum
bull Imagini ale propagării luminii icircntr-un
bicristal YVO4 descriind refracţia totala
Icircn cristalul de sus se prezintă un exemplu
de refracţie negativă iar in cristalul de jos
refracţie pozitivă( Fig1)
Munca de cercetare a lui Veselago a rămas necunoscută mult timp pacircnă
cacircnd fanteziile lui matematice au fost concretizate prin crearea unor
superlentile Interesul faţă de materialele cu indicele de refracţie negativ a
fost icircnsă reicircnviat cu cacircţiva ani icircn urma (1999) cacircnd fizicianul englez John
Pendry de la Imperial College din Londra a propus să se construiască cu
ajutorul acestor materiale lentile perfecte
Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au
descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut
publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că
omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The
Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea
din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme
Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn
Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and
Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu
ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de
domeniul science fiction a declarat profesorul Milton
4
2 Refracţia pozitivă
Refracţia este schimbarea direcţiei de propagare a unei unde din
cauza schimbării vitezei de propagare cel mai adesea la interfaţa dintre
două medii Cel mai uşor de observat exemplu este icircn cazul luminii atunci
cacircnd aceasta trece dintr-un mediu transparent (aer apă sticlă etc) icircn altul
Totuşi fenomenul se petrece cu toate undele inclusiv cu cele sonore La
interfaţa dintre două medii viteza de fază și lungimea de undă se modifică
unda icircși schimbă direcţia icircnsă frecvenţa rămacircne aceeaşi Icircn optică pentru
studiul refracţiei se foloseşte noţiunea de indice de refracţie care este direct
legată de viteza de propagare Lentilele și prismele optice se bazează pe
fenomenul de refracţie pentru a modifica direcţia razelor de lumină Odată
cu refracţia are loc și reflexia adică o parte a undei se reflectă icircnapoi icircn
mediul iniţial după legile obişnuite ale reflexiei (cu excepţia cazului icircn care
unghiul de incidenţă este nul sau dacă avem de-a face cu materiale speciale
cu indice de refracţie negativ) Fig2
Cel mai adesea icircn viaţa de zi
cu zi se poate observa refracţia
atunci cacircnd privim icircntr-un vas cu
apă obiectele par a fi mai aproape
de suprafaţă decacirct sunt iar poziţia
lor pare a se schimba odată cu
unghiul din care sunt privite (Fig2) Pentru a determina poziţia unui obiect
creierul uman analizează o pereche de raze de lumină venite de la acel
5
obiect icircncercacircnd să afle unde se intersectează De aceea icircn imaginile
alăturate sunt prezentate perechi de raze care se refractă icircmpreună (deşi sub
un unghi uşor diferit din cauza unghiurilor de incidenţă diferite)
Tot refracţia este fenomenul din spatele curcubeului (Fig3) ori a
mirajelor care apar de exemplu icircn deşert sau vara cacircnd asfaltul este icircncălzit
( Fig4) atunci cacircnd temperatura aerului variază foarte rapid cu icircnălţimea
Fig3 Fig4
Icircn mod similar poziţiile reale ale astrelor de pe cer nu sunt cele
aparente mai ales atunci cacircnd aceste astre se văd aproape de orizont intracircnd
icircn atmosferă pieziş ele se refractă progresiv din cauza dependenţei indicelui
de refracţie al aerului de altitudine (icircn principal prin intermediul presiunii)
Aşa se explică şi variaţia discontinuă a poziţiei şi formei Soarelui atunci
cacircnd apune ori răsare
Fig5 Un miraj artificial se obţine folosind
soluţie de zahăr icircn care indicele de refracţie
descreşte de la bază la vacircrful cuvei Pisica apare
icircn imagini multiple
Un fenomen asemănător apare icircn cazul undelor
electromagnetice emise de şi către sateliţi icircn
mod normal devierea este nesemnificativă dar
icircn cazul semnalelor GPS ea trebuie calculată
pentru a se putea obţine o precizie mai bună a
poziţiei determinate Se poate remarca de asemenea faptul că refracţia este
similară unei probleme matematice se dau două puncte aflate icircn medii
6
diferite (icircn sensul că viteza de deplasare prin cele două medii diferă) se cere
drumul optim icircntre cele două puncte Intuitiv problema poate fi enunţată
astfel o persoană se află pe plajă şi trebuie să ajungă la o baliză aflată icircn
apă (se presupune că linia ţărmului este o dreaptă) care este drumul optim
(din punct de vedere temporal) ţinacircnd cont că pe plajă aleargă mai repede
decacirct icircnoată icircn apă Desigur că soluţia depinde de raportul vitezelor icircn cele
două medii (icircn cazul luminii acest raport se numește indice de refracţie) O
rază de lumină care porneşte dintr-un punct aflat icircn unul dintre medii va
urma tocmai acest drum optim pentru a ajunge la un punct din celălalt
mediu Icircn cazul refracţiei pozitive raza se va propaga intr-o direcţie situată
icircntre perpendiculara pe suprafaţa
materialului şi direcţia razei iniţiale
Fig6
Pe de altă parte icircn cazul indicelui de
refracţie negativ n lt0 unghiul de
refracţie va fi de asemenea negativ raza refractată se va situa prin urmare de
partea stacircngă a normalei la suprafaţa materialului ( Fig6)
Indicele de refracţie al unui mediu este raportul dintre viteza luminii in vid
şi viteza luminii icircn acel mediu Datorită faptului că lumina de frecvenţe
diferite călătoreşte la viteze diferite icircntr-un mediu indicele de refracţie este
diferit pentru lumina de frecvenţe diferite Asta icircnseamnă că lumina de
culori diferite este refractată la unghiuri diferite cacircnd trece dintr-un mediu icircn
altul Efectul obţinut este dispersia luminii la trecerea acesteia prin prisma
optică Pentru cacircteva substanţe indicele de refracţie este 1000 pentru vid
10003 pentru aer 1309 pentru gheaţă 152 pentru sticlă crown 192
pentru zircon şi 242 pentru diamant
Legea refracţiei Snell-Descartes importantă lege numită astfel
după matematicianul olandez Willebrord Snell şi francezul Descartes
7
afirmă că produsul indicelui de refracţie şi sinusul unghiului de incidenţă al
unei raze icircntr-un mediu este egal cu produsul indicelui de refracţie şi
sinusului unghiului de refracţie icircntr-un mediu succesiv adică
Indicele de refracţie al unui mediu este caracterizat prin două mărimi
micror ndash permeabilitatea magnetică relativă şi εr- permitivitatea electrică relativă
ale mediului considerat astfel avem relaţia
8
3 Refracţia negativă
Refracţia negativă este un fenomen anormal icircn electromagnetism
pentru care raza refractată este de aceeaşi parte ca şi raza incidentă (vezi
figura alăturată) unde icircn cazul a) refracţia este icircntr-un material obişnuit ( n
gt 1) şi icircn cazul b) refracţia este neobişnuită icircn material cu indicele de
refracţie negativ (n lt 0) Deoarece unghiul de incidenţă i ia valori intre 0 si
2π respectiv sin i va fi mai mare ca
zero De aici rezultă că semnul lui sin
r va coincide cu semnul indicelui de
refracţie al materialului n
Fig7
Astfel dacă n gt 1 unghiul de refracţie va fi unul pozitiv (Fig 7a) şi mai mic
ca unghiul de incidenţă Adică raza se va propaga intr-o direcţie situată icircntre
perpendiculara pe suprafaţa materialului şi direcţia razei iniţiale Pe de altă
parte icircn cazul indicelui de refracţie negativ n lt 0 unghiul de refracţie va fi
de asemenea negativ ( Fig7b) Deci raza refractată se va situa de partea
stacircngă a normalei la suprafaţa materialului O astfel de refracţie ldquonegativărdquo
este total neobişnuită pentru materialele icircntacirclnite icircn natură
Printre consecinţele imediate ale refracţiei negative putem enumera
următoarele
1 Din punctul de vedere al opticii ondulatorii un material cu indicele de
refracţie negativ va modifica unda de lumină icircntr-un aşa mod icircncacirct unda va
produce vibraţii icircntr-o direcţie iar energia undei se va propaga icircn sens opus
9
2 Efectul Doppler va fi inversat adică frecvenţa unei surse de lumină care
se apropie de observator nu se va mări (deplasarea spre violet) cum este
firesc ci se va micşora (deplasarea spre roşu)
3 Efectul Cerenkov va fi de asemenea inversat Deci lumina generată
datorită faptului că mediul respectiv este traversat de o particulă icircncărcată va
fi emisă icircn spatele particulei şi nu icircn faţa ei
4 După cum a arătat Veselago icircn lucrările sale o simplă pană plan-paralelă
va funcţiona ca o lentilă creacircnd o imagine a obiectului icircn interiorul penei şi
alta de partea cealaltă a ei (Fig8) Această
proprietate ar simplifica considerabil
fabricarea lentilelor deoarece nu ar mai fi
necesar de a se prelucra lentila pentru a fi
convexă sau concavă după caz O astfel de
lentilă ar fi mai puţin capricioasă decacirct
lentilele obişnuite din simplul motiv că
obiectul ar putea fi situat icircn orice poziţie faţă
de lentilă şi nu numai pe axa ei cum e cazul
lentilelor obişnuite
5 O altă consecinţă a indicelui de refracţie negativ pe care se bazează ideea
lui J Pendry cu privire la lentilele perfecte este că undele evanescente ale
unui corp ar putea fi amplificate de o lentilă cu indicele de refracţie negativ
Undele evanescente ale unui corp au o lungime de undă foarte mică şi de
obicei nu părăsesc suprafaţa corpurilor Datorită lungimii de undă mici ele
conţin informaţia cea mai detaliată despre corp
6 Se ştie că atunci cacircnd privim intr-un vas cu apă adacircncimea acestui vas
pare a fi mult mai mică decacirct este icircn realitate
Acest efect se datorează
faptului că indicele de
refracţie al apei este pozitiv
10
Fig8pană plan-paralelă va funcţiona ca o lentilă creacircnd o imagine a obiectului icircn interiorul penei şi alta de partea cealaltă a ei
Admiţacircnd icircnsă că apa ar avea un indice de refracţie negativ adacircncimea
vasului cu apă nu ni s-ar mai părea a fi prea mică ci din contra vasul ar
părea mult mai adacircnc decacirct este icircn realitate iar un creion icircn paharul cu apă
se va vedea ca icircn fotografia alăturată stacircnga ( Fig9)
7 Comportarea lentilelor la lumină este inversă decacirct in cazul obişnuit
(a) Lentila convexă efect divergent
(b) Lentila concavă efect convergent
Notă Similar se icircntacircmplă icircn microunde şi icircn domeniul X pentru materialele
transparente cu 0 lt n lt 1 (nu au n lt 0)
8 Imaginea obiectelor printr-un material cu indice de refracţie negativ va fi
situată ca icircn Fig10 de mai jos unde se observă
bull imaginea peştelui situat icircn apă mai sus decacirct icircn realitate dar icircn interiorul
apei pentru indice de refracţie pozitiv- refracţie pozitivă
bull imaginea peştelui situat icircn apă mai sus decacirct icircn realitate dar icircn exteriorul
apei pentru indice de refracţie negativ- refracţie negativă
Fig10
11
4 Metamateriale
Materialele cu indicele de refracţie negativ se mai numesc şi
ldquomateriale de stacircngardquo (icircn engleză ldquoleft-handed materialsrdquo (LHM)) Icircn
materialele obişnuite adică icircn cele cu n gt 1 poziţia relativă a vectorilor
cacircmpului magnetic şi electric al unei unde se poate afla foarte uşor folosind
aşa-numita ldquoregulă a macircinii drepterdquo Se ştie că unda electromagnetică are
reprezentarea prin cei doi vectori E ndash intensitatea cacircmpului electric şi B-
inducţia cacircmpului magnetic vectori perpendiculari unul pe altul şi pe
direcţia de propagare a undei marcată prin vectorul k (Fig11)
Fig11
Pentru materialele cu indicele de refracţie negativ această regulă nu
mai este valabilă fiind necesar să se folosească ldquoregula macircinii stacircngirdquo De
aici şi provine denumirea de materiale ldquode stacircngardquo Ele mai sunt numite şi
materiale cu undă inversată (ldquobackward wave materialsrdquo (BWM) aceasta
fiind o aluzie la faptul că energia undei se propagă icircn sens opus faţă de
sensul de propagare al undei Icircnsă de cele mai multe ori ele sunt numite
materiale cu indice negativ (ldquonegative index materialsrdquo (NIM)) sau
materiale cu indice de refracţie negativ (ldquonegative refractive indexrdquo (NRI))
Este interesant faptul că materiale cu valori negative ale unuia din cei doi
parametri (ε sau μ) se icircntacirclnesc şi icircn natură De exemplu icircn unele metale
12
cum ar fi argintul sau semiconductori la anumite frecvenţe şi condiţii
exterioare ε ia valori negative Un alt exemplu icircl constituie aşa-numită
plasmă neutră fără coliziuni (puternic rarefiată) care nu este prea comună icircn
viaţa de toate zilele O astfel de plasmă are permitivitatea negativă la
frecvenţe mai mici decacirct aşa numita ldquofrecvenţă de plasmărdquo De asemenea
există o serie de materiale feromagnetice şi antiferomagnetice ale căror
permeabilităţii magnetice μ au valori negative
Icircn 1996 Pendry a anunţat că a obţinut un material artificial care fiind
expus acţiunii undelor electromagnetice are un răspuns asemănător cu cel al
plasmei neutre fără coliziuni deci are permitivitatea electrică ε negativă
Materialul raportat de Pendry reprezintă un masiv de conductori plasaţi
paralel la anumite distanţe unul de altul Cacircţiva ani mai tacircrziu Pendry a
anunţat fabricarea unui alt tip de material
artificial ndash aşa-numitul rezonator cu inele
deschise (split-ring rezonator (SRR) a
cărui permeabilitate magnetică μ icircntr-un
anumit domeniu de frecvenţe are valoare
negativă De aici şi pacircnă la realizarea ideii
lui Veselago nu mai rămăsese mult
Combinarea celor două materiale propuse
de Pendry ar forma un material cu valori
negative aticirct pentru permitivitatea electrică
ε cacirct şi pentru permeabilitatea magnetică μ Figura alăturată ne dă o
imagine cum ar putea arăta un astfel de material ( Fig11)
13
Fig12 Metamaterialul compus din inele şi fire metalice care are indice de refracţie negativ material cu valori negative aticirct pentru permitivitatea electrică ε cacirct şi pentru permeabilitatea magnetică μ
Măsurările electromagnetice ale materialelor propuse de Pendry au
fost realizate de D Smith şi echipa sa de la Universitatea din California
SUA Icircn cazul primului material (cu permitivitatea ε negativă) s-a observat
că există un anumit interval de frecvenţe icircn care toate microundele sunt
reflectate Folosind o noţiune din domeniul cristalelor fotonice putem spune
că acest material are o bandă interzisă pentru un anumit interval de
frecvenţe Este surprinzător faptul că dacă se combină acest material cu
materialul al doilea propus de Pendry undele din acelaşi interval nu mai
sunt reflectate ci transmise de material După un şir de alte experimente
Smith et al au ajuns la concluzia că metamaterialul compus din cele două
materiale propuse de Pendry icircndeplinesc condiţiile formulate de Veselago
pentru ca un material să aibă indicele de refracţie negativ Smith spune că
refracţia negativă observată de ei nu este mică ci din contra poate ajunge
chiar pacircnă la 80deg faţă de normala pe suprafaţa de incidenţă Imediat după
publicarea rezultatelor obţinute de Smith şi colaboratorii săi un alt grup de
cercetători de această dată de la Toronto Canada a anunţat că a reuşit
fabricarea unui material cu proprietăţi asemănătoare dar care are o structură
mult mai simplă decacirct cel investigat de echipa lui Smith Mai mult ca atacirct
Shalaev de la Universitatea din Purdue SUA au propus o structură care ar
permite fabricarea peliculelor subţiri cu indicele de refracţie negativ iar o
echipă din Elveţia a anunţat că este pe cale de a fabrica o structură
tridimensională cu indicele de refracţie negativ
Icircn pofida faptului că au fost publicate multe articole care pretind că a
fost observată experimental refracţia negativă icircn diferite materiale icircn lume
există cercetători care continuă să creadă că aşa ceva este contrar legilor
naturii şi că toate măsurătorile efectuate pacircnă acum nu sunt decicirct nişte
bdquoartefacterdquo experimentale W Kohn de la Universitatea din California
14
SUA spune ldquoMaterialele cu indice de refracţie negativ reprezintă o idee
genială icircnsă nu aş fi surprins dacă nu s-ar găsi multe aplicaţii ale acestor
materialerdquo Este suficient să ne aducem aminte că imediat după inventarea
laserului comunitatea ştiinţifică a fost surprinsă că s-a lucrat atacirct de mult
pentru a-l obţine iar aplicaţiile momentane ale laserului erau atacirct de
limitate Astăzi aplicaţiile laserului sunt atacirct de diverse şi multiple icircncacirct
este greu să ţi le imaginezi Să sperăm că istoria se va repeta şi icircn cazul
materialelor cu indicele de refracţie negativ
Pentru ca indicele de refracţie n să fie o mărime care să aibă
semnificaţie fizică (să existe) este nevoie de material omogen sau cvasi-
omogen (scala spaţială aneomogenităţilor periodice p să fie p ltlt l sau p lt
l4 ) Exemple de materiale omogene pentru lumina vizibilă (500 nm) sunt
gaze lichide solide transparente Exemple de neomogenităţi neglijabile
pentru lumina vizibilă sunt atomi molecule unde diametre atomice sunt
001 nm ndash 01 nm iar dimensiunile legăturilor atomice sunt 01 nm ndash 02
nm (legătura C-C 0154 nm hexagon benzen 0280 nm) diametrul
moleculei de ulei asymp 20 nm - 25 nm De comparat cu lungimea de undă icircn
vizibil λ asymp 500 nm
Exemple de structuri periodice Pendry
15
Fig13
(a) Tije metalice (ε lt 0 pt E II z) (b) Inele icircntrerupte (micro lt 0 pt H II y)
Icircn ambele cazuri p ltlt l
Primele experimente au fost realizate cu metamaterial cu n lt 0 icircn
microunde (J B Pendry D R Smith Phys Today June 2004)
(a) Structura rezonantă inele icircntrerupte şi tije
metalice (sacircrme vizibile icircn spatele suporţilor
verticali)
(b) Banda spectrală pentru εr lt 0 şi micror lt 0
(c) Spectrul de putere transmisă numai tije
metalice verde numai inele icircntrerupte
albastru ambele roşu transmisie =
propagare
Fig14
Icircn topul descoperirilor pentru Nobel 2010 a fost şi cel oferit pentru
predicţia descoperirea şi dezvoltarea metamaterialelor negative - (Victor
Veselago John Pendry David Smith Xiang Zhang Sheldon Schultz Ulf
Leonhardt) Metamateriale sunt compuse
din componente mici cum ar fi inele mici si
tije Ele produc efecte optice noi
Refracţia negativă in microunde (J B
Pendry D R Smith Phys Today June
2004)
16
(a) Prismă cu n lt 0 simulare
(b) Prismă cu n gt 0 (teflon) simulare
(c) Experiment prismă metamaterial n lt 0
(d) Experiment prismă teflon
Fig15
Progrese icircn microunde prin realizarea unei
prisme din metamaterial pentru microunde
(Costas M Soukoulis este un distins profesor
de fizică al Iowa State University şi senior
fizician la Ames Laboratory Cartea sa
include Photonic Band Gap Materials and
Photonic Crystals and Light Localization in the Twenty-First Century
2006)
Acest cristal fotonic este o Lentilă Veselago-Pendry pentru
microunde cu indice de refactie n = -1 rezoluţie spaţială lt l (Fig16)
Sir John Brian Pendry este un fizician englez cunoscut pentru studiile
sale privind indicele de refracţie El a creat ldquopelerina invizibilităţiirdquo
(Invisibility Cloak) El este acum la catedra de fizică teoretică a stării
solide al Imperial College London Icircn 2006 primeşte Medalia Regală - The
Royal Medal of the Royal Society of London
Fig16
Astăzi s-au realizat metamateriale pentru
infraroşu şi vizibil domeniul optic fiind icircn
plină cercetare pentru realizarea invizibilităţii
17
Metamateriale sunt
bull materiale artificiale caracterizate de proprietăţi (electromagnetice)
care provin din structura acestora şi nu direct din proprietăţile
materialelor care le compun
bull Materiale prezintă anumite caracteristici structurale comparabile ca
dimensiune cu lungimea de undă a radiaţiei electromagnetice cu care
interacţionează
bull metamaterialele ldquostacircngirdquo (ldquoleft handed metamaterialrdquo ndash LHM) - nu
verifică regula măinii drepte astfel icircncacirct viteza de fază şi cea de grup
au sensuri diferite - permitivitatea electrică şi permeabilitatea
magnetică sunt negative
bull Materiale icircn care are loc refracţia negativă un fenomen anormal icircn
electromagnetism pentru care raza refractată este de aceeaşi parte ca
şi raza incidentă
bull Icircn realitate foarte străvechi pentru că le putem considera spre
exemplu sticlele colorate utilizate icircn vitraliile catedralelor
bull şi cristalele fotonice ( Fig17)
Fig17 piatra de opal a brăţării este un cristal fotonic
Ce este cristalul fotonic
Răspuns Cristalul fotonic este un mediu
dielectric periodic 1D 2D sau 3D avacircnd
periodicitatea de ordinul lungimii de undă
18
a undei electromagnetice realizat prin tehnologii de microprelucrare
Principala sa proprietate este structura de benzi fotonice Pentru o undă
monocromatica care se propagă icircntr-un cristal fotonic ideal va exista o
bandă de frecvenţă interzisă (bandgap) indiferent de direcţia undei şi
indiferent de starea de polarizare a undei Lord Rayleigh icircn 1887 a fost
primul care a arătat că se poate obţine o bandă interzisă sau band gap iar
temenul de laquo cristal fotonic raquo nu a fost introdus decacirct icircn 1987 odată cu
apariţia a două articole majore de Eli Yablonovitch şi Sajeev John Icircn
natură pe lacircngă cristalul de opal care are micro bile de siliciu repartizate
aproape uniform cristale fotonice se icircntacirclnesc şi icircn lumea animală la o
specie de vierme marin Afrodita şi la aripile fluturelui Cyanophrys remus ce
posedă o nano- arhitectură complexă la care culorile albastru metalic şi
verde sunt atribuite structurii de cristale fotonice Ele sunt compuse din
chitină şi aer iar aranjamentul formează o structură dielectrică periodică
Una dintre barierele existente icircn telecomunicaţii la ora actuală este
reprezentată de nodurile de procesare care conectează reţelele de fibră
optică noduri necesare pentru routarea informaţiilor La ora actuală nu
există o metoda ieftină şi eficientă ca acest proces sa fie unul icircn totalitate
optic transmisia optică trebuind să fie convertită icircn semnale electrice pentru
a fi procesată de echipamentele de routare după care la loc icircn semnale
optice pentru transmisia mai departe Acest lucru reprezintă o gacirctuire a
fluxului de date deoarece fibra optică poate transmite mult mai multă
informatie (şi mai rapid) decat firele de cupru Aceasta pentru că icircn fibra
optică transmisia este realizată pe lungimi
de undă diferite un fel de separare pe
culori De aceea ideea este de a realiza nişte
cristale fotonice (cu un exemplu de structură
19
ilustrată icircn imagine) care să separe aceste culori diferite de lumina albă şi să
le routeze icircntr-un mod eficient ( Fig18)
Fig18
5 Invizibilitatea
Pacircnă nu demult invizibilitatea ţinea de domeniul fantasticului Se
pare icircnsă că omul invizibil al lui Wells dar şi navele invizibile ale
klingonienilor din Star Trek sunt pe cale să coboare din literatura şi filmele
science-fiction icircn lumea reală Pelerina invizibilităţii este tot mai aproape
de realitate Cercetătorii au realizat două noi tipuri de materiale care reflectă
lumina icircn mod diferit ceea ce aduce mai aproape de realitate dispozitivul
supranumit pelerina invizibilităţii Unul dintre materiale foloseşte o plasă
din straturi metalice care reflectă icircn sens invers direcţia luminii icircn timp ce
20
al doilea foloseşte fire minuscule de argint Componenţa ambelor materiale
poate fi analizată la scară nanometrică Ambele creaţii ale oamenilor de
ştiinţă sunt metamateriale structuri realizate artificial care au proprietăţi ce
nu se icircntacirclnesc icircn natură cum ar fi indicele de refracţie negativ Două echipe
au lucrat separat la elaborarea materialelor
sub conducerea lui Xiang Zhang de la Centrul
de inginerie şi ştiinţă nanometrică din cadrul
Universităţii Berkley California Fiecare
dintre noile materiale are proprietăţi de
reflectare a luminii icircn valuri de lungime
limitată astfel icircncacirct nimeni nu le poate utiliza
pentru a ascunde clădiri de sateliţi a declarat
Jason Valentine membru al uneia dintre echipe De fapt nu ascundem
nimic Nu cred că trebuie să fim icircngrijoraţi de persoane invizibile care să
umble icircn jurul nostru icircn viitorul apropiat Să fiu cinstit suntem abia la
icircnceput icircn ceea ce priveşte cercetările privind invizibilitatea a spus
Valentine Echipa lui Valentine a realizat un material care influenţează
lumina din apropierea spectrului vizibil icircntr-o regiune folosită icircn cadrul
fibrelor optice Icircn materialele naturale indicele de refracţie care măsoară
modul icircn care lumina acţionează icircntr-un mediu este pozitiv a spus el
Atunci cacircnd vezi un peşte icircn apă acesta va apărea icircn faţa poziţiei icircn care se
află de fapt Dacă pui un băţ icircn apă acesta pare să se icircndoaie a precizat el
menţionacircnd că aceste iluzii sunt provocate de modul icircn care lumina se
refractă atunci cacircnd se mişcă icircntre apă şi aer
Icircnconjoară obiectul ce se doreşte invizibil cu un metamaterial (Fig19)care
să deformeze traseul razelor de lumină prin metamaterial ocolind obiectul
şi care să le recombine după obiect aşa cum erau icircnainte de obiect astfel
obiectul nu este vizibil
Fig19
21
Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de
pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns
profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific
cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991
de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru
Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors
niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru
Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea
Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul
timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al
bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici
au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale
cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că
obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci
cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a
spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi
mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu
are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric
vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un
obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a
acestuia
Foarte flexibil dar mai ales ldquoinvizibilrdquo Metaflex face parte din
categoria metamaterialelor capabile sa devieze traiectoria radiaţiilor făcacircnd
invizibile obiectele Metaflex a fost realizat de cercetătorul italian Andrea
22
Di Falco şi echipa lui de la Universitatea St Andrews din Scoţia Metaflex
constituie subiectul proiectului de cercetare icircn cadrul EPSRC( Engineering
and Physical Science Research Council) denumit bdquoMetaflex- materiale pe
straturi optice transparente flexibilerdquo avacircnd ca scop fabricarea
metamaterialelor icircn membrane foarte subţiri şi flexibile După cum au
explicat oamenii de ştiinţă icircntr-un articol publicat icircn New Journal of
Physics incredibila elasticitate a materialului permite imaginarea unor
aplicaţii SF precum hainele icircn măsura să-l facă pe cel care le poartă
invizibil Găsirea unei modalităţi de a ascunde obiecte de lumina vizibilă
este o veche idee fixă de-a oamenilor de ştiinţă Primele succese icircn acest
sens au fost reprezentate de crearea unor materiale cu caracteristici electrice
şi magnetice speciale Aceste metamateriale care au proprietăţile datorită
structurii geometrice a atomilor sunt icircn măsură să facă să treacă o radiaţie
electromagnetică icircn jurul unui obiect Astfel obiectul devine invizibil
deoarece eludează incidenţa şi reflexia radiaţiei Pacircnă astăzi cercetătorii au
reuşit să creeze materiale invizibile la microunde şi raze infraroşii dar nu şi
la lumina vizibilă Dificultatea de a face un obiect transparent la radiaţia
luminoasă stă icircn faptul că trebuie lucrat pe geometrii infinit de mici
capabile să interacţioneze cu lumina care are o lungime de undă de ordinul
a doar cacircteva sute de nanometri Odată depaşită această dificultate
cercetătorii s-au văzut nevoiţi să icircnfrunte o alta proiectarea unui meta-
material care sa nu fie rigid ci flexibil astfel icircncacirct să poată fi utilizat pentru
fabricarea obiectelor elastice Echipa lui Di Falco a reuşit să depăşească şi
acest ultim obstacol obţinacircnd un pătrăţel de cacircţiva centimetri pătraţi şi o
grosime de 4 micrometri care face obiectele transparente la lumina
portocalie Mai rămacircne de văzut dacă aceste caracteristici ale materialului se
modifică atunci cacircnd este icircndoit sau rămacircn neschimbate icircn primul caz
invenţia va deschide calea realizării unei noi clase de lentile icircn al doilea
punerii la punct a unei adevărate pelerine a invizibilităţii Flexibilitatea
23
metaflexului permite proiectarea şi fabricarea unui sistem de camuflaj
deoarece materialul se poate adapta mediului icircnconjurător
Icircn cadrul studiului lor un grup de cercetători germani si englezi
coordonaţi de Tolga Ergin şi Nicolas Stenger de la Institutul de Tehnologie
din Karlsruhe au utilizat mantaua tridimensională pentru a face invizibilă o
protuberanţă de pe o suprafaţă de aur Mantaua este compusă din lentile
speciale asamblate icircntr-o structură polimerică lentile a căror caracteristică
este aceea de a se lega parţial de undele luminoase astfel icircncacirct să icircmpiedice
lumina să se difuzeze Toate structurile de acest gen realizate pacircnă icircn
prezent sunt bidimensionale dar ulterior a demonstrat că poate funcţiona şi
icircn 3D a precizat Ergin Aşa-numitele materiale ale invizibilităţii sunt
nanomateriale cu dimensiuni de ordinul milionimilor de metru Sunt
capabile sa devieze undele luminoase orientacircndu-le icircn jurul unui obiect
pacircnă cacircnd icircl icircnfăşoară ca o găoace aceasta comportacircndu-se de fapt ca o
manta a invizibilităţii
Obiectele pot fi făcute să pară invizibile lungimilor mari de undă
precum cele utilizate de radare dar nu şi acelora mai mici caracteristice
luminii Oamenii de ştiinţă speră să creeze materiale capabile să forţeze
circularea pe lacircngă un obiect a luminii astfel icircncacirct să icircl mascheze icircn faţa
ochiului uman şi să icircl facă practic invizibil Suprafeţele vor putea fi astfel
determinate să manipuleze toate formele de radiaţie cum ar fi lumina
microundele sau radiaţia
terahertziană conducacircnd la potenţiale
aplicaţii icircn medicină securitate şi
comunicaţii Echipele de cercetare
24
sunt coordonate de profesorul Sir John Pendry o autoritate de talie
mondiala icircn fizică de la ICL care a propus pentru prima oară icircn anul 2006
şi de către profesorul Ştefan Maier un vacircrf de lance icircn domeniul
plasmonicii sau tehnologiei undelor electromagnetice
Fig21 Exemplu de camuflaj vizibil Bombardier Stealth (SUA) ndash negru
(absorbant) icircn microunde şi vizibil
6 Bibliografie
Metaflex-mirajul invizibilităţii Revista Evrika nr12 decembrie 2010
George Nemeş Materiale cu indice de refracţie negativ (metamateriale)
Principii fizice si perspective 2005
G V Eleftheriades K G Balmain Negative-Refraction Metamaterials
Fundamental Principles and Applications Wiley Canada 2005
25
C Caloz T Itoh Electromagnetic Metamaterials Transmission Line
Theory and Microwave Applications Wiley Hoboken NJ 2006
Metaflex-primul material cu adevărat invizibil wwwdescoperăro
N Garcia and M Nieto-Vesperinas Phys Rev Lett 88 207403 (2002)
Sergiu Langa şi Ion Tighineanu UNIVERSITATEA TEHNICĂ A
MOLDOVEI FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE vol 1 nr 4 2000
httpwwwstandrewsacuk~ulfinvisibilityhtml
26
- Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de domeniul science fiction a declarat profesorul Milton
- Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991 de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
- Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a acestuia
-
2 Refracţia pozitivă
Refracţia este schimbarea direcţiei de propagare a unei unde din
cauza schimbării vitezei de propagare cel mai adesea la interfaţa dintre
două medii Cel mai uşor de observat exemplu este icircn cazul luminii atunci
cacircnd aceasta trece dintr-un mediu transparent (aer apă sticlă etc) icircn altul
Totuşi fenomenul se petrece cu toate undele inclusiv cu cele sonore La
interfaţa dintre două medii viteza de fază și lungimea de undă se modifică
unda icircși schimbă direcţia icircnsă frecvenţa rămacircne aceeaşi Icircn optică pentru
studiul refracţiei se foloseşte noţiunea de indice de refracţie care este direct
legată de viteza de propagare Lentilele și prismele optice se bazează pe
fenomenul de refracţie pentru a modifica direcţia razelor de lumină Odată
cu refracţia are loc și reflexia adică o parte a undei se reflectă icircnapoi icircn
mediul iniţial după legile obişnuite ale reflexiei (cu excepţia cazului icircn care
unghiul de incidenţă este nul sau dacă avem de-a face cu materiale speciale
cu indice de refracţie negativ) Fig2
Cel mai adesea icircn viaţa de zi
cu zi se poate observa refracţia
atunci cacircnd privim icircntr-un vas cu
apă obiectele par a fi mai aproape
de suprafaţă decacirct sunt iar poziţia
lor pare a se schimba odată cu
unghiul din care sunt privite (Fig2) Pentru a determina poziţia unui obiect
creierul uman analizează o pereche de raze de lumină venite de la acel
5
obiect icircncercacircnd să afle unde se intersectează De aceea icircn imaginile
alăturate sunt prezentate perechi de raze care se refractă icircmpreună (deşi sub
un unghi uşor diferit din cauza unghiurilor de incidenţă diferite)
Tot refracţia este fenomenul din spatele curcubeului (Fig3) ori a
mirajelor care apar de exemplu icircn deşert sau vara cacircnd asfaltul este icircncălzit
( Fig4) atunci cacircnd temperatura aerului variază foarte rapid cu icircnălţimea
Fig3 Fig4
Icircn mod similar poziţiile reale ale astrelor de pe cer nu sunt cele
aparente mai ales atunci cacircnd aceste astre se văd aproape de orizont intracircnd
icircn atmosferă pieziş ele se refractă progresiv din cauza dependenţei indicelui
de refracţie al aerului de altitudine (icircn principal prin intermediul presiunii)
Aşa se explică şi variaţia discontinuă a poziţiei şi formei Soarelui atunci
cacircnd apune ori răsare
Fig5 Un miraj artificial se obţine folosind
soluţie de zahăr icircn care indicele de refracţie
descreşte de la bază la vacircrful cuvei Pisica apare
icircn imagini multiple
Un fenomen asemănător apare icircn cazul undelor
electromagnetice emise de şi către sateliţi icircn
mod normal devierea este nesemnificativă dar
icircn cazul semnalelor GPS ea trebuie calculată
pentru a se putea obţine o precizie mai bună a
poziţiei determinate Se poate remarca de asemenea faptul că refracţia este
similară unei probleme matematice se dau două puncte aflate icircn medii
6
diferite (icircn sensul că viteza de deplasare prin cele două medii diferă) se cere
drumul optim icircntre cele două puncte Intuitiv problema poate fi enunţată
astfel o persoană se află pe plajă şi trebuie să ajungă la o baliză aflată icircn
apă (se presupune că linia ţărmului este o dreaptă) care este drumul optim
(din punct de vedere temporal) ţinacircnd cont că pe plajă aleargă mai repede
decacirct icircnoată icircn apă Desigur că soluţia depinde de raportul vitezelor icircn cele
două medii (icircn cazul luminii acest raport se numește indice de refracţie) O
rază de lumină care porneşte dintr-un punct aflat icircn unul dintre medii va
urma tocmai acest drum optim pentru a ajunge la un punct din celălalt
mediu Icircn cazul refracţiei pozitive raza se va propaga intr-o direcţie situată
icircntre perpendiculara pe suprafaţa
materialului şi direcţia razei iniţiale
Fig6
Pe de altă parte icircn cazul indicelui de
refracţie negativ n lt0 unghiul de
refracţie va fi de asemenea negativ raza refractată se va situa prin urmare de
partea stacircngă a normalei la suprafaţa materialului ( Fig6)
Indicele de refracţie al unui mediu este raportul dintre viteza luminii in vid
şi viteza luminii icircn acel mediu Datorită faptului că lumina de frecvenţe
diferite călătoreşte la viteze diferite icircntr-un mediu indicele de refracţie este
diferit pentru lumina de frecvenţe diferite Asta icircnseamnă că lumina de
culori diferite este refractată la unghiuri diferite cacircnd trece dintr-un mediu icircn
altul Efectul obţinut este dispersia luminii la trecerea acesteia prin prisma
optică Pentru cacircteva substanţe indicele de refracţie este 1000 pentru vid
10003 pentru aer 1309 pentru gheaţă 152 pentru sticlă crown 192
pentru zircon şi 242 pentru diamant
Legea refracţiei Snell-Descartes importantă lege numită astfel
după matematicianul olandez Willebrord Snell şi francezul Descartes
7
afirmă că produsul indicelui de refracţie şi sinusul unghiului de incidenţă al
unei raze icircntr-un mediu este egal cu produsul indicelui de refracţie şi
sinusului unghiului de refracţie icircntr-un mediu succesiv adică
Indicele de refracţie al unui mediu este caracterizat prin două mărimi
micror ndash permeabilitatea magnetică relativă şi εr- permitivitatea electrică relativă
ale mediului considerat astfel avem relaţia
8
3 Refracţia negativă
Refracţia negativă este un fenomen anormal icircn electromagnetism
pentru care raza refractată este de aceeaşi parte ca şi raza incidentă (vezi
figura alăturată) unde icircn cazul a) refracţia este icircntr-un material obişnuit ( n
gt 1) şi icircn cazul b) refracţia este neobişnuită icircn material cu indicele de
refracţie negativ (n lt 0) Deoarece unghiul de incidenţă i ia valori intre 0 si
2π respectiv sin i va fi mai mare ca
zero De aici rezultă că semnul lui sin
r va coincide cu semnul indicelui de
refracţie al materialului n
Fig7
Astfel dacă n gt 1 unghiul de refracţie va fi unul pozitiv (Fig 7a) şi mai mic
ca unghiul de incidenţă Adică raza se va propaga intr-o direcţie situată icircntre
perpendiculara pe suprafaţa materialului şi direcţia razei iniţiale Pe de altă
parte icircn cazul indicelui de refracţie negativ n lt 0 unghiul de refracţie va fi
de asemenea negativ ( Fig7b) Deci raza refractată se va situa de partea
stacircngă a normalei la suprafaţa materialului O astfel de refracţie ldquonegativărdquo
este total neobişnuită pentru materialele icircntacirclnite icircn natură
Printre consecinţele imediate ale refracţiei negative putem enumera
următoarele
1 Din punctul de vedere al opticii ondulatorii un material cu indicele de
refracţie negativ va modifica unda de lumină icircntr-un aşa mod icircncacirct unda va
produce vibraţii icircntr-o direcţie iar energia undei se va propaga icircn sens opus
9
2 Efectul Doppler va fi inversat adică frecvenţa unei surse de lumină care
se apropie de observator nu se va mări (deplasarea spre violet) cum este
firesc ci se va micşora (deplasarea spre roşu)
3 Efectul Cerenkov va fi de asemenea inversat Deci lumina generată
datorită faptului că mediul respectiv este traversat de o particulă icircncărcată va
fi emisă icircn spatele particulei şi nu icircn faţa ei
4 După cum a arătat Veselago icircn lucrările sale o simplă pană plan-paralelă
va funcţiona ca o lentilă creacircnd o imagine a obiectului icircn interiorul penei şi
alta de partea cealaltă a ei (Fig8) Această
proprietate ar simplifica considerabil
fabricarea lentilelor deoarece nu ar mai fi
necesar de a se prelucra lentila pentru a fi
convexă sau concavă după caz O astfel de
lentilă ar fi mai puţin capricioasă decacirct
lentilele obişnuite din simplul motiv că
obiectul ar putea fi situat icircn orice poziţie faţă
de lentilă şi nu numai pe axa ei cum e cazul
lentilelor obişnuite
5 O altă consecinţă a indicelui de refracţie negativ pe care se bazează ideea
lui J Pendry cu privire la lentilele perfecte este că undele evanescente ale
unui corp ar putea fi amplificate de o lentilă cu indicele de refracţie negativ
Undele evanescente ale unui corp au o lungime de undă foarte mică şi de
obicei nu părăsesc suprafaţa corpurilor Datorită lungimii de undă mici ele
conţin informaţia cea mai detaliată despre corp
6 Se ştie că atunci cacircnd privim intr-un vas cu apă adacircncimea acestui vas
pare a fi mult mai mică decacirct este icircn realitate
Acest efect se datorează
faptului că indicele de
refracţie al apei este pozitiv
10
Fig8pană plan-paralelă va funcţiona ca o lentilă creacircnd o imagine a obiectului icircn interiorul penei şi alta de partea cealaltă a ei
Admiţacircnd icircnsă că apa ar avea un indice de refracţie negativ adacircncimea
vasului cu apă nu ni s-ar mai părea a fi prea mică ci din contra vasul ar
părea mult mai adacircnc decacirct este icircn realitate iar un creion icircn paharul cu apă
se va vedea ca icircn fotografia alăturată stacircnga ( Fig9)
7 Comportarea lentilelor la lumină este inversă decacirct in cazul obişnuit
(a) Lentila convexă efect divergent
(b) Lentila concavă efect convergent
Notă Similar se icircntacircmplă icircn microunde şi icircn domeniul X pentru materialele
transparente cu 0 lt n lt 1 (nu au n lt 0)
8 Imaginea obiectelor printr-un material cu indice de refracţie negativ va fi
situată ca icircn Fig10 de mai jos unde se observă
bull imaginea peştelui situat icircn apă mai sus decacirct icircn realitate dar icircn interiorul
apei pentru indice de refracţie pozitiv- refracţie pozitivă
bull imaginea peştelui situat icircn apă mai sus decacirct icircn realitate dar icircn exteriorul
apei pentru indice de refracţie negativ- refracţie negativă
Fig10
11
4 Metamateriale
Materialele cu indicele de refracţie negativ se mai numesc şi
ldquomateriale de stacircngardquo (icircn engleză ldquoleft-handed materialsrdquo (LHM)) Icircn
materialele obişnuite adică icircn cele cu n gt 1 poziţia relativă a vectorilor
cacircmpului magnetic şi electric al unei unde se poate afla foarte uşor folosind
aşa-numita ldquoregulă a macircinii drepterdquo Se ştie că unda electromagnetică are
reprezentarea prin cei doi vectori E ndash intensitatea cacircmpului electric şi B-
inducţia cacircmpului magnetic vectori perpendiculari unul pe altul şi pe
direcţia de propagare a undei marcată prin vectorul k (Fig11)
Fig11
Pentru materialele cu indicele de refracţie negativ această regulă nu
mai este valabilă fiind necesar să se folosească ldquoregula macircinii stacircngirdquo De
aici şi provine denumirea de materiale ldquode stacircngardquo Ele mai sunt numite şi
materiale cu undă inversată (ldquobackward wave materialsrdquo (BWM) aceasta
fiind o aluzie la faptul că energia undei se propagă icircn sens opus faţă de
sensul de propagare al undei Icircnsă de cele mai multe ori ele sunt numite
materiale cu indice negativ (ldquonegative index materialsrdquo (NIM)) sau
materiale cu indice de refracţie negativ (ldquonegative refractive indexrdquo (NRI))
Este interesant faptul că materiale cu valori negative ale unuia din cei doi
parametri (ε sau μ) se icircntacirclnesc şi icircn natură De exemplu icircn unele metale
12
cum ar fi argintul sau semiconductori la anumite frecvenţe şi condiţii
exterioare ε ia valori negative Un alt exemplu icircl constituie aşa-numită
plasmă neutră fără coliziuni (puternic rarefiată) care nu este prea comună icircn
viaţa de toate zilele O astfel de plasmă are permitivitatea negativă la
frecvenţe mai mici decacirct aşa numita ldquofrecvenţă de plasmărdquo De asemenea
există o serie de materiale feromagnetice şi antiferomagnetice ale căror
permeabilităţii magnetice μ au valori negative
Icircn 1996 Pendry a anunţat că a obţinut un material artificial care fiind
expus acţiunii undelor electromagnetice are un răspuns asemănător cu cel al
plasmei neutre fără coliziuni deci are permitivitatea electrică ε negativă
Materialul raportat de Pendry reprezintă un masiv de conductori plasaţi
paralel la anumite distanţe unul de altul Cacircţiva ani mai tacircrziu Pendry a
anunţat fabricarea unui alt tip de material
artificial ndash aşa-numitul rezonator cu inele
deschise (split-ring rezonator (SRR) a
cărui permeabilitate magnetică μ icircntr-un
anumit domeniu de frecvenţe are valoare
negativă De aici şi pacircnă la realizarea ideii
lui Veselago nu mai rămăsese mult
Combinarea celor două materiale propuse
de Pendry ar forma un material cu valori
negative aticirct pentru permitivitatea electrică
ε cacirct şi pentru permeabilitatea magnetică μ Figura alăturată ne dă o
imagine cum ar putea arăta un astfel de material ( Fig11)
13
Fig12 Metamaterialul compus din inele şi fire metalice care are indice de refracţie negativ material cu valori negative aticirct pentru permitivitatea electrică ε cacirct şi pentru permeabilitatea magnetică μ
Măsurările electromagnetice ale materialelor propuse de Pendry au
fost realizate de D Smith şi echipa sa de la Universitatea din California
SUA Icircn cazul primului material (cu permitivitatea ε negativă) s-a observat
că există un anumit interval de frecvenţe icircn care toate microundele sunt
reflectate Folosind o noţiune din domeniul cristalelor fotonice putem spune
că acest material are o bandă interzisă pentru un anumit interval de
frecvenţe Este surprinzător faptul că dacă se combină acest material cu
materialul al doilea propus de Pendry undele din acelaşi interval nu mai
sunt reflectate ci transmise de material După un şir de alte experimente
Smith et al au ajuns la concluzia că metamaterialul compus din cele două
materiale propuse de Pendry icircndeplinesc condiţiile formulate de Veselago
pentru ca un material să aibă indicele de refracţie negativ Smith spune că
refracţia negativă observată de ei nu este mică ci din contra poate ajunge
chiar pacircnă la 80deg faţă de normala pe suprafaţa de incidenţă Imediat după
publicarea rezultatelor obţinute de Smith şi colaboratorii săi un alt grup de
cercetători de această dată de la Toronto Canada a anunţat că a reuşit
fabricarea unui material cu proprietăţi asemănătoare dar care are o structură
mult mai simplă decacirct cel investigat de echipa lui Smith Mai mult ca atacirct
Shalaev de la Universitatea din Purdue SUA au propus o structură care ar
permite fabricarea peliculelor subţiri cu indicele de refracţie negativ iar o
echipă din Elveţia a anunţat că este pe cale de a fabrica o structură
tridimensională cu indicele de refracţie negativ
Icircn pofida faptului că au fost publicate multe articole care pretind că a
fost observată experimental refracţia negativă icircn diferite materiale icircn lume
există cercetători care continuă să creadă că aşa ceva este contrar legilor
naturii şi că toate măsurătorile efectuate pacircnă acum nu sunt decicirct nişte
bdquoartefacterdquo experimentale W Kohn de la Universitatea din California
14
SUA spune ldquoMaterialele cu indice de refracţie negativ reprezintă o idee
genială icircnsă nu aş fi surprins dacă nu s-ar găsi multe aplicaţii ale acestor
materialerdquo Este suficient să ne aducem aminte că imediat după inventarea
laserului comunitatea ştiinţifică a fost surprinsă că s-a lucrat atacirct de mult
pentru a-l obţine iar aplicaţiile momentane ale laserului erau atacirct de
limitate Astăzi aplicaţiile laserului sunt atacirct de diverse şi multiple icircncacirct
este greu să ţi le imaginezi Să sperăm că istoria se va repeta şi icircn cazul
materialelor cu indicele de refracţie negativ
Pentru ca indicele de refracţie n să fie o mărime care să aibă
semnificaţie fizică (să existe) este nevoie de material omogen sau cvasi-
omogen (scala spaţială aneomogenităţilor periodice p să fie p ltlt l sau p lt
l4 ) Exemple de materiale omogene pentru lumina vizibilă (500 nm) sunt
gaze lichide solide transparente Exemple de neomogenităţi neglijabile
pentru lumina vizibilă sunt atomi molecule unde diametre atomice sunt
001 nm ndash 01 nm iar dimensiunile legăturilor atomice sunt 01 nm ndash 02
nm (legătura C-C 0154 nm hexagon benzen 0280 nm) diametrul
moleculei de ulei asymp 20 nm - 25 nm De comparat cu lungimea de undă icircn
vizibil λ asymp 500 nm
Exemple de structuri periodice Pendry
15
Fig13
(a) Tije metalice (ε lt 0 pt E II z) (b) Inele icircntrerupte (micro lt 0 pt H II y)
Icircn ambele cazuri p ltlt l
Primele experimente au fost realizate cu metamaterial cu n lt 0 icircn
microunde (J B Pendry D R Smith Phys Today June 2004)
(a) Structura rezonantă inele icircntrerupte şi tije
metalice (sacircrme vizibile icircn spatele suporţilor
verticali)
(b) Banda spectrală pentru εr lt 0 şi micror lt 0
(c) Spectrul de putere transmisă numai tije
metalice verde numai inele icircntrerupte
albastru ambele roşu transmisie =
propagare
Fig14
Icircn topul descoperirilor pentru Nobel 2010 a fost şi cel oferit pentru
predicţia descoperirea şi dezvoltarea metamaterialelor negative - (Victor
Veselago John Pendry David Smith Xiang Zhang Sheldon Schultz Ulf
Leonhardt) Metamateriale sunt compuse
din componente mici cum ar fi inele mici si
tije Ele produc efecte optice noi
Refracţia negativă in microunde (J B
Pendry D R Smith Phys Today June
2004)
16
(a) Prismă cu n lt 0 simulare
(b) Prismă cu n gt 0 (teflon) simulare
(c) Experiment prismă metamaterial n lt 0
(d) Experiment prismă teflon
Fig15
Progrese icircn microunde prin realizarea unei
prisme din metamaterial pentru microunde
(Costas M Soukoulis este un distins profesor
de fizică al Iowa State University şi senior
fizician la Ames Laboratory Cartea sa
include Photonic Band Gap Materials and
Photonic Crystals and Light Localization in the Twenty-First Century
2006)
Acest cristal fotonic este o Lentilă Veselago-Pendry pentru
microunde cu indice de refactie n = -1 rezoluţie spaţială lt l (Fig16)
Sir John Brian Pendry este un fizician englez cunoscut pentru studiile
sale privind indicele de refracţie El a creat ldquopelerina invizibilităţiirdquo
(Invisibility Cloak) El este acum la catedra de fizică teoretică a stării
solide al Imperial College London Icircn 2006 primeşte Medalia Regală - The
Royal Medal of the Royal Society of London
Fig16
Astăzi s-au realizat metamateriale pentru
infraroşu şi vizibil domeniul optic fiind icircn
plină cercetare pentru realizarea invizibilităţii
17
Metamateriale sunt
bull materiale artificiale caracterizate de proprietăţi (electromagnetice)
care provin din structura acestora şi nu direct din proprietăţile
materialelor care le compun
bull Materiale prezintă anumite caracteristici structurale comparabile ca
dimensiune cu lungimea de undă a radiaţiei electromagnetice cu care
interacţionează
bull metamaterialele ldquostacircngirdquo (ldquoleft handed metamaterialrdquo ndash LHM) - nu
verifică regula măinii drepte astfel icircncacirct viteza de fază şi cea de grup
au sensuri diferite - permitivitatea electrică şi permeabilitatea
magnetică sunt negative
bull Materiale icircn care are loc refracţia negativă un fenomen anormal icircn
electromagnetism pentru care raza refractată este de aceeaşi parte ca
şi raza incidentă
bull Icircn realitate foarte străvechi pentru că le putem considera spre
exemplu sticlele colorate utilizate icircn vitraliile catedralelor
bull şi cristalele fotonice ( Fig17)
Fig17 piatra de opal a brăţării este un cristal fotonic
Ce este cristalul fotonic
Răspuns Cristalul fotonic este un mediu
dielectric periodic 1D 2D sau 3D avacircnd
periodicitatea de ordinul lungimii de undă
18
a undei electromagnetice realizat prin tehnologii de microprelucrare
Principala sa proprietate este structura de benzi fotonice Pentru o undă
monocromatica care se propagă icircntr-un cristal fotonic ideal va exista o
bandă de frecvenţă interzisă (bandgap) indiferent de direcţia undei şi
indiferent de starea de polarizare a undei Lord Rayleigh icircn 1887 a fost
primul care a arătat că se poate obţine o bandă interzisă sau band gap iar
temenul de laquo cristal fotonic raquo nu a fost introdus decacirct icircn 1987 odată cu
apariţia a două articole majore de Eli Yablonovitch şi Sajeev John Icircn
natură pe lacircngă cristalul de opal care are micro bile de siliciu repartizate
aproape uniform cristale fotonice se icircntacirclnesc şi icircn lumea animală la o
specie de vierme marin Afrodita şi la aripile fluturelui Cyanophrys remus ce
posedă o nano- arhitectură complexă la care culorile albastru metalic şi
verde sunt atribuite structurii de cristale fotonice Ele sunt compuse din
chitină şi aer iar aranjamentul formează o structură dielectrică periodică
Una dintre barierele existente icircn telecomunicaţii la ora actuală este
reprezentată de nodurile de procesare care conectează reţelele de fibră
optică noduri necesare pentru routarea informaţiilor La ora actuală nu
există o metoda ieftină şi eficientă ca acest proces sa fie unul icircn totalitate
optic transmisia optică trebuind să fie convertită icircn semnale electrice pentru
a fi procesată de echipamentele de routare după care la loc icircn semnale
optice pentru transmisia mai departe Acest lucru reprezintă o gacirctuire a
fluxului de date deoarece fibra optică poate transmite mult mai multă
informatie (şi mai rapid) decat firele de cupru Aceasta pentru că icircn fibra
optică transmisia este realizată pe lungimi
de undă diferite un fel de separare pe
culori De aceea ideea este de a realiza nişte
cristale fotonice (cu un exemplu de structură
19
ilustrată icircn imagine) care să separe aceste culori diferite de lumina albă şi să
le routeze icircntr-un mod eficient ( Fig18)
Fig18
5 Invizibilitatea
Pacircnă nu demult invizibilitatea ţinea de domeniul fantasticului Se
pare icircnsă că omul invizibil al lui Wells dar şi navele invizibile ale
klingonienilor din Star Trek sunt pe cale să coboare din literatura şi filmele
science-fiction icircn lumea reală Pelerina invizibilităţii este tot mai aproape
de realitate Cercetătorii au realizat două noi tipuri de materiale care reflectă
lumina icircn mod diferit ceea ce aduce mai aproape de realitate dispozitivul
supranumit pelerina invizibilităţii Unul dintre materiale foloseşte o plasă
din straturi metalice care reflectă icircn sens invers direcţia luminii icircn timp ce
20
al doilea foloseşte fire minuscule de argint Componenţa ambelor materiale
poate fi analizată la scară nanometrică Ambele creaţii ale oamenilor de
ştiinţă sunt metamateriale structuri realizate artificial care au proprietăţi ce
nu se icircntacirclnesc icircn natură cum ar fi indicele de refracţie negativ Două echipe
au lucrat separat la elaborarea materialelor
sub conducerea lui Xiang Zhang de la Centrul
de inginerie şi ştiinţă nanometrică din cadrul
Universităţii Berkley California Fiecare
dintre noile materiale are proprietăţi de
reflectare a luminii icircn valuri de lungime
limitată astfel icircncacirct nimeni nu le poate utiliza
pentru a ascunde clădiri de sateliţi a declarat
Jason Valentine membru al uneia dintre echipe De fapt nu ascundem
nimic Nu cred că trebuie să fim icircngrijoraţi de persoane invizibile care să
umble icircn jurul nostru icircn viitorul apropiat Să fiu cinstit suntem abia la
icircnceput icircn ceea ce priveşte cercetările privind invizibilitatea a spus
Valentine Echipa lui Valentine a realizat un material care influenţează
lumina din apropierea spectrului vizibil icircntr-o regiune folosită icircn cadrul
fibrelor optice Icircn materialele naturale indicele de refracţie care măsoară
modul icircn care lumina acţionează icircntr-un mediu este pozitiv a spus el
Atunci cacircnd vezi un peşte icircn apă acesta va apărea icircn faţa poziţiei icircn care se
află de fapt Dacă pui un băţ icircn apă acesta pare să se icircndoaie a precizat el
menţionacircnd că aceste iluzii sunt provocate de modul icircn care lumina se
refractă atunci cacircnd se mişcă icircntre apă şi aer
Icircnconjoară obiectul ce se doreşte invizibil cu un metamaterial (Fig19)care
să deformeze traseul razelor de lumină prin metamaterial ocolind obiectul
şi care să le recombine după obiect aşa cum erau icircnainte de obiect astfel
obiectul nu este vizibil
Fig19
21
Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de
pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns
profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific
cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991
de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru
Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors
niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru
Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea
Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul
timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al
bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici
au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale
cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că
obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci
cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a
spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi
mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu
are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric
vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un
obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a
acestuia
Foarte flexibil dar mai ales ldquoinvizibilrdquo Metaflex face parte din
categoria metamaterialelor capabile sa devieze traiectoria radiaţiilor făcacircnd
invizibile obiectele Metaflex a fost realizat de cercetătorul italian Andrea
22
Di Falco şi echipa lui de la Universitatea St Andrews din Scoţia Metaflex
constituie subiectul proiectului de cercetare icircn cadrul EPSRC( Engineering
and Physical Science Research Council) denumit bdquoMetaflex- materiale pe
straturi optice transparente flexibilerdquo avacircnd ca scop fabricarea
metamaterialelor icircn membrane foarte subţiri şi flexibile După cum au
explicat oamenii de ştiinţă icircntr-un articol publicat icircn New Journal of
Physics incredibila elasticitate a materialului permite imaginarea unor
aplicaţii SF precum hainele icircn măsura să-l facă pe cel care le poartă
invizibil Găsirea unei modalităţi de a ascunde obiecte de lumina vizibilă
este o veche idee fixă de-a oamenilor de ştiinţă Primele succese icircn acest
sens au fost reprezentate de crearea unor materiale cu caracteristici electrice
şi magnetice speciale Aceste metamateriale care au proprietăţile datorită
structurii geometrice a atomilor sunt icircn măsură să facă să treacă o radiaţie
electromagnetică icircn jurul unui obiect Astfel obiectul devine invizibil
deoarece eludează incidenţa şi reflexia radiaţiei Pacircnă astăzi cercetătorii au
reuşit să creeze materiale invizibile la microunde şi raze infraroşii dar nu şi
la lumina vizibilă Dificultatea de a face un obiect transparent la radiaţia
luminoasă stă icircn faptul că trebuie lucrat pe geometrii infinit de mici
capabile să interacţioneze cu lumina care are o lungime de undă de ordinul
a doar cacircteva sute de nanometri Odată depaşită această dificultate
cercetătorii s-au văzut nevoiţi să icircnfrunte o alta proiectarea unui meta-
material care sa nu fie rigid ci flexibil astfel icircncacirct să poată fi utilizat pentru
fabricarea obiectelor elastice Echipa lui Di Falco a reuşit să depăşească şi
acest ultim obstacol obţinacircnd un pătrăţel de cacircţiva centimetri pătraţi şi o
grosime de 4 micrometri care face obiectele transparente la lumina
portocalie Mai rămacircne de văzut dacă aceste caracteristici ale materialului se
modifică atunci cacircnd este icircndoit sau rămacircn neschimbate icircn primul caz
invenţia va deschide calea realizării unei noi clase de lentile icircn al doilea
punerii la punct a unei adevărate pelerine a invizibilităţii Flexibilitatea
23
metaflexului permite proiectarea şi fabricarea unui sistem de camuflaj
deoarece materialul se poate adapta mediului icircnconjurător
Icircn cadrul studiului lor un grup de cercetători germani si englezi
coordonaţi de Tolga Ergin şi Nicolas Stenger de la Institutul de Tehnologie
din Karlsruhe au utilizat mantaua tridimensională pentru a face invizibilă o
protuberanţă de pe o suprafaţă de aur Mantaua este compusă din lentile
speciale asamblate icircntr-o structură polimerică lentile a căror caracteristică
este aceea de a se lega parţial de undele luminoase astfel icircncacirct să icircmpiedice
lumina să se difuzeze Toate structurile de acest gen realizate pacircnă icircn
prezent sunt bidimensionale dar ulterior a demonstrat că poate funcţiona şi
icircn 3D a precizat Ergin Aşa-numitele materiale ale invizibilităţii sunt
nanomateriale cu dimensiuni de ordinul milionimilor de metru Sunt
capabile sa devieze undele luminoase orientacircndu-le icircn jurul unui obiect
pacircnă cacircnd icircl icircnfăşoară ca o găoace aceasta comportacircndu-se de fapt ca o
manta a invizibilităţii
Obiectele pot fi făcute să pară invizibile lungimilor mari de undă
precum cele utilizate de radare dar nu şi acelora mai mici caracteristice
luminii Oamenii de ştiinţă speră să creeze materiale capabile să forţeze
circularea pe lacircngă un obiect a luminii astfel icircncacirct să icircl mascheze icircn faţa
ochiului uman şi să icircl facă practic invizibil Suprafeţele vor putea fi astfel
determinate să manipuleze toate formele de radiaţie cum ar fi lumina
microundele sau radiaţia
terahertziană conducacircnd la potenţiale
aplicaţii icircn medicină securitate şi
comunicaţii Echipele de cercetare
24
sunt coordonate de profesorul Sir John Pendry o autoritate de talie
mondiala icircn fizică de la ICL care a propus pentru prima oară icircn anul 2006
şi de către profesorul Ştefan Maier un vacircrf de lance icircn domeniul
plasmonicii sau tehnologiei undelor electromagnetice
Fig21 Exemplu de camuflaj vizibil Bombardier Stealth (SUA) ndash negru
(absorbant) icircn microunde şi vizibil
6 Bibliografie
Metaflex-mirajul invizibilităţii Revista Evrika nr12 decembrie 2010
George Nemeş Materiale cu indice de refracţie negativ (metamateriale)
Principii fizice si perspective 2005
G V Eleftheriades K G Balmain Negative-Refraction Metamaterials
Fundamental Principles and Applications Wiley Canada 2005
25
C Caloz T Itoh Electromagnetic Metamaterials Transmission Line
Theory and Microwave Applications Wiley Hoboken NJ 2006
Metaflex-primul material cu adevărat invizibil wwwdescoperăro
N Garcia and M Nieto-Vesperinas Phys Rev Lett 88 207403 (2002)
Sergiu Langa şi Ion Tighineanu UNIVERSITATEA TEHNICĂ A
MOLDOVEI FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE vol 1 nr 4 2000
httpwwwstandrewsacuk~ulfinvisibilityhtml
26
- Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de domeniul science fiction a declarat profesorul Milton
- Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991 de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
- Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a acestuia
-
obiect icircncercacircnd să afle unde se intersectează De aceea icircn imaginile
alăturate sunt prezentate perechi de raze care se refractă icircmpreună (deşi sub
un unghi uşor diferit din cauza unghiurilor de incidenţă diferite)
Tot refracţia este fenomenul din spatele curcubeului (Fig3) ori a
mirajelor care apar de exemplu icircn deşert sau vara cacircnd asfaltul este icircncălzit
( Fig4) atunci cacircnd temperatura aerului variază foarte rapid cu icircnălţimea
Fig3 Fig4
Icircn mod similar poziţiile reale ale astrelor de pe cer nu sunt cele
aparente mai ales atunci cacircnd aceste astre se văd aproape de orizont intracircnd
icircn atmosferă pieziş ele se refractă progresiv din cauza dependenţei indicelui
de refracţie al aerului de altitudine (icircn principal prin intermediul presiunii)
Aşa se explică şi variaţia discontinuă a poziţiei şi formei Soarelui atunci
cacircnd apune ori răsare
Fig5 Un miraj artificial se obţine folosind
soluţie de zahăr icircn care indicele de refracţie
descreşte de la bază la vacircrful cuvei Pisica apare
icircn imagini multiple
Un fenomen asemănător apare icircn cazul undelor
electromagnetice emise de şi către sateliţi icircn
mod normal devierea este nesemnificativă dar
icircn cazul semnalelor GPS ea trebuie calculată
pentru a se putea obţine o precizie mai bună a
poziţiei determinate Se poate remarca de asemenea faptul că refracţia este
similară unei probleme matematice se dau două puncte aflate icircn medii
6
diferite (icircn sensul că viteza de deplasare prin cele două medii diferă) se cere
drumul optim icircntre cele două puncte Intuitiv problema poate fi enunţată
astfel o persoană se află pe plajă şi trebuie să ajungă la o baliză aflată icircn
apă (se presupune că linia ţărmului este o dreaptă) care este drumul optim
(din punct de vedere temporal) ţinacircnd cont că pe plajă aleargă mai repede
decacirct icircnoată icircn apă Desigur că soluţia depinde de raportul vitezelor icircn cele
două medii (icircn cazul luminii acest raport se numește indice de refracţie) O
rază de lumină care porneşte dintr-un punct aflat icircn unul dintre medii va
urma tocmai acest drum optim pentru a ajunge la un punct din celălalt
mediu Icircn cazul refracţiei pozitive raza se va propaga intr-o direcţie situată
icircntre perpendiculara pe suprafaţa
materialului şi direcţia razei iniţiale
Fig6
Pe de altă parte icircn cazul indicelui de
refracţie negativ n lt0 unghiul de
refracţie va fi de asemenea negativ raza refractată se va situa prin urmare de
partea stacircngă a normalei la suprafaţa materialului ( Fig6)
Indicele de refracţie al unui mediu este raportul dintre viteza luminii in vid
şi viteza luminii icircn acel mediu Datorită faptului că lumina de frecvenţe
diferite călătoreşte la viteze diferite icircntr-un mediu indicele de refracţie este
diferit pentru lumina de frecvenţe diferite Asta icircnseamnă că lumina de
culori diferite este refractată la unghiuri diferite cacircnd trece dintr-un mediu icircn
altul Efectul obţinut este dispersia luminii la trecerea acesteia prin prisma
optică Pentru cacircteva substanţe indicele de refracţie este 1000 pentru vid
10003 pentru aer 1309 pentru gheaţă 152 pentru sticlă crown 192
pentru zircon şi 242 pentru diamant
Legea refracţiei Snell-Descartes importantă lege numită astfel
după matematicianul olandez Willebrord Snell şi francezul Descartes
7
afirmă că produsul indicelui de refracţie şi sinusul unghiului de incidenţă al
unei raze icircntr-un mediu este egal cu produsul indicelui de refracţie şi
sinusului unghiului de refracţie icircntr-un mediu succesiv adică
Indicele de refracţie al unui mediu este caracterizat prin două mărimi
micror ndash permeabilitatea magnetică relativă şi εr- permitivitatea electrică relativă
ale mediului considerat astfel avem relaţia
8
3 Refracţia negativă
Refracţia negativă este un fenomen anormal icircn electromagnetism
pentru care raza refractată este de aceeaşi parte ca şi raza incidentă (vezi
figura alăturată) unde icircn cazul a) refracţia este icircntr-un material obişnuit ( n
gt 1) şi icircn cazul b) refracţia este neobişnuită icircn material cu indicele de
refracţie negativ (n lt 0) Deoarece unghiul de incidenţă i ia valori intre 0 si
2π respectiv sin i va fi mai mare ca
zero De aici rezultă că semnul lui sin
r va coincide cu semnul indicelui de
refracţie al materialului n
Fig7
Astfel dacă n gt 1 unghiul de refracţie va fi unul pozitiv (Fig 7a) şi mai mic
ca unghiul de incidenţă Adică raza se va propaga intr-o direcţie situată icircntre
perpendiculara pe suprafaţa materialului şi direcţia razei iniţiale Pe de altă
parte icircn cazul indicelui de refracţie negativ n lt 0 unghiul de refracţie va fi
de asemenea negativ ( Fig7b) Deci raza refractată se va situa de partea
stacircngă a normalei la suprafaţa materialului O astfel de refracţie ldquonegativărdquo
este total neobişnuită pentru materialele icircntacirclnite icircn natură
Printre consecinţele imediate ale refracţiei negative putem enumera
următoarele
1 Din punctul de vedere al opticii ondulatorii un material cu indicele de
refracţie negativ va modifica unda de lumină icircntr-un aşa mod icircncacirct unda va
produce vibraţii icircntr-o direcţie iar energia undei se va propaga icircn sens opus
9
2 Efectul Doppler va fi inversat adică frecvenţa unei surse de lumină care
se apropie de observator nu se va mări (deplasarea spre violet) cum este
firesc ci se va micşora (deplasarea spre roşu)
3 Efectul Cerenkov va fi de asemenea inversat Deci lumina generată
datorită faptului că mediul respectiv este traversat de o particulă icircncărcată va
fi emisă icircn spatele particulei şi nu icircn faţa ei
4 După cum a arătat Veselago icircn lucrările sale o simplă pană plan-paralelă
va funcţiona ca o lentilă creacircnd o imagine a obiectului icircn interiorul penei şi
alta de partea cealaltă a ei (Fig8) Această
proprietate ar simplifica considerabil
fabricarea lentilelor deoarece nu ar mai fi
necesar de a se prelucra lentila pentru a fi
convexă sau concavă după caz O astfel de
lentilă ar fi mai puţin capricioasă decacirct
lentilele obişnuite din simplul motiv că
obiectul ar putea fi situat icircn orice poziţie faţă
de lentilă şi nu numai pe axa ei cum e cazul
lentilelor obişnuite
5 O altă consecinţă a indicelui de refracţie negativ pe care se bazează ideea
lui J Pendry cu privire la lentilele perfecte este că undele evanescente ale
unui corp ar putea fi amplificate de o lentilă cu indicele de refracţie negativ
Undele evanescente ale unui corp au o lungime de undă foarte mică şi de
obicei nu părăsesc suprafaţa corpurilor Datorită lungimii de undă mici ele
conţin informaţia cea mai detaliată despre corp
6 Se ştie că atunci cacircnd privim intr-un vas cu apă adacircncimea acestui vas
pare a fi mult mai mică decacirct este icircn realitate
Acest efect se datorează
faptului că indicele de
refracţie al apei este pozitiv
10
Fig8pană plan-paralelă va funcţiona ca o lentilă creacircnd o imagine a obiectului icircn interiorul penei şi alta de partea cealaltă a ei
Admiţacircnd icircnsă că apa ar avea un indice de refracţie negativ adacircncimea
vasului cu apă nu ni s-ar mai părea a fi prea mică ci din contra vasul ar
părea mult mai adacircnc decacirct este icircn realitate iar un creion icircn paharul cu apă
se va vedea ca icircn fotografia alăturată stacircnga ( Fig9)
7 Comportarea lentilelor la lumină este inversă decacirct in cazul obişnuit
(a) Lentila convexă efect divergent
(b) Lentila concavă efect convergent
Notă Similar se icircntacircmplă icircn microunde şi icircn domeniul X pentru materialele
transparente cu 0 lt n lt 1 (nu au n lt 0)
8 Imaginea obiectelor printr-un material cu indice de refracţie negativ va fi
situată ca icircn Fig10 de mai jos unde se observă
bull imaginea peştelui situat icircn apă mai sus decacirct icircn realitate dar icircn interiorul
apei pentru indice de refracţie pozitiv- refracţie pozitivă
bull imaginea peştelui situat icircn apă mai sus decacirct icircn realitate dar icircn exteriorul
apei pentru indice de refracţie negativ- refracţie negativă
Fig10
11
4 Metamateriale
Materialele cu indicele de refracţie negativ se mai numesc şi
ldquomateriale de stacircngardquo (icircn engleză ldquoleft-handed materialsrdquo (LHM)) Icircn
materialele obişnuite adică icircn cele cu n gt 1 poziţia relativă a vectorilor
cacircmpului magnetic şi electric al unei unde se poate afla foarte uşor folosind
aşa-numita ldquoregulă a macircinii drepterdquo Se ştie că unda electromagnetică are
reprezentarea prin cei doi vectori E ndash intensitatea cacircmpului electric şi B-
inducţia cacircmpului magnetic vectori perpendiculari unul pe altul şi pe
direcţia de propagare a undei marcată prin vectorul k (Fig11)
Fig11
Pentru materialele cu indicele de refracţie negativ această regulă nu
mai este valabilă fiind necesar să se folosească ldquoregula macircinii stacircngirdquo De
aici şi provine denumirea de materiale ldquode stacircngardquo Ele mai sunt numite şi
materiale cu undă inversată (ldquobackward wave materialsrdquo (BWM) aceasta
fiind o aluzie la faptul că energia undei se propagă icircn sens opus faţă de
sensul de propagare al undei Icircnsă de cele mai multe ori ele sunt numite
materiale cu indice negativ (ldquonegative index materialsrdquo (NIM)) sau
materiale cu indice de refracţie negativ (ldquonegative refractive indexrdquo (NRI))
Este interesant faptul că materiale cu valori negative ale unuia din cei doi
parametri (ε sau μ) se icircntacirclnesc şi icircn natură De exemplu icircn unele metale
12
cum ar fi argintul sau semiconductori la anumite frecvenţe şi condiţii
exterioare ε ia valori negative Un alt exemplu icircl constituie aşa-numită
plasmă neutră fără coliziuni (puternic rarefiată) care nu este prea comună icircn
viaţa de toate zilele O astfel de plasmă are permitivitatea negativă la
frecvenţe mai mici decacirct aşa numita ldquofrecvenţă de plasmărdquo De asemenea
există o serie de materiale feromagnetice şi antiferomagnetice ale căror
permeabilităţii magnetice μ au valori negative
Icircn 1996 Pendry a anunţat că a obţinut un material artificial care fiind
expus acţiunii undelor electromagnetice are un răspuns asemănător cu cel al
plasmei neutre fără coliziuni deci are permitivitatea electrică ε negativă
Materialul raportat de Pendry reprezintă un masiv de conductori plasaţi
paralel la anumite distanţe unul de altul Cacircţiva ani mai tacircrziu Pendry a
anunţat fabricarea unui alt tip de material
artificial ndash aşa-numitul rezonator cu inele
deschise (split-ring rezonator (SRR) a
cărui permeabilitate magnetică μ icircntr-un
anumit domeniu de frecvenţe are valoare
negativă De aici şi pacircnă la realizarea ideii
lui Veselago nu mai rămăsese mult
Combinarea celor două materiale propuse
de Pendry ar forma un material cu valori
negative aticirct pentru permitivitatea electrică
ε cacirct şi pentru permeabilitatea magnetică μ Figura alăturată ne dă o
imagine cum ar putea arăta un astfel de material ( Fig11)
13
Fig12 Metamaterialul compus din inele şi fire metalice care are indice de refracţie negativ material cu valori negative aticirct pentru permitivitatea electrică ε cacirct şi pentru permeabilitatea magnetică μ
Măsurările electromagnetice ale materialelor propuse de Pendry au
fost realizate de D Smith şi echipa sa de la Universitatea din California
SUA Icircn cazul primului material (cu permitivitatea ε negativă) s-a observat
că există un anumit interval de frecvenţe icircn care toate microundele sunt
reflectate Folosind o noţiune din domeniul cristalelor fotonice putem spune
că acest material are o bandă interzisă pentru un anumit interval de
frecvenţe Este surprinzător faptul că dacă se combină acest material cu
materialul al doilea propus de Pendry undele din acelaşi interval nu mai
sunt reflectate ci transmise de material După un şir de alte experimente
Smith et al au ajuns la concluzia că metamaterialul compus din cele două
materiale propuse de Pendry icircndeplinesc condiţiile formulate de Veselago
pentru ca un material să aibă indicele de refracţie negativ Smith spune că
refracţia negativă observată de ei nu este mică ci din contra poate ajunge
chiar pacircnă la 80deg faţă de normala pe suprafaţa de incidenţă Imediat după
publicarea rezultatelor obţinute de Smith şi colaboratorii săi un alt grup de
cercetători de această dată de la Toronto Canada a anunţat că a reuşit
fabricarea unui material cu proprietăţi asemănătoare dar care are o structură
mult mai simplă decacirct cel investigat de echipa lui Smith Mai mult ca atacirct
Shalaev de la Universitatea din Purdue SUA au propus o structură care ar
permite fabricarea peliculelor subţiri cu indicele de refracţie negativ iar o
echipă din Elveţia a anunţat că este pe cale de a fabrica o structură
tridimensională cu indicele de refracţie negativ
Icircn pofida faptului că au fost publicate multe articole care pretind că a
fost observată experimental refracţia negativă icircn diferite materiale icircn lume
există cercetători care continuă să creadă că aşa ceva este contrar legilor
naturii şi că toate măsurătorile efectuate pacircnă acum nu sunt decicirct nişte
bdquoartefacterdquo experimentale W Kohn de la Universitatea din California
14
SUA spune ldquoMaterialele cu indice de refracţie negativ reprezintă o idee
genială icircnsă nu aş fi surprins dacă nu s-ar găsi multe aplicaţii ale acestor
materialerdquo Este suficient să ne aducem aminte că imediat după inventarea
laserului comunitatea ştiinţifică a fost surprinsă că s-a lucrat atacirct de mult
pentru a-l obţine iar aplicaţiile momentane ale laserului erau atacirct de
limitate Astăzi aplicaţiile laserului sunt atacirct de diverse şi multiple icircncacirct
este greu să ţi le imaginezi Să sperăm că istoria se va repeta şi icircn cazul
materialelor cu indicele de refracţie negativ
Pentru ca indicele de refracţie n să fie o mărime care să aibă
semnificaţie fizică (să existe) este nevoie de material omogen sau cvasi-
omogen (scala spaţială aneomogenităţilor periodice p să fie p ltlt l sau p lt
l4 ) Exemple de materiale omogene pentru lumina vizibilă (500 nm) sunt
gaze lichide solide transparente Exemple de neomogenităţi neglijabile
pentru lumina vizibilă sunt atomi molecule unde diametre atomice sunt
001 nm ndash 01 nm iar dimensiunile legăturilor atomice sunt 01 nm ndash 02
nm (legătura C-C 0154 nm hexagon benzen 0280 nm) diametrul
moleculei de ulei asymp 20 nm - 25 nm De comparat cu lungimea de undă icircn
vizibil λ asymp 500 nm
Exemple de structuri periodice Pendry
15
Fig13
(a) Tije metalice (ε lt 0 pt E II z) (b) Inele icircntrerupte (micro lt 0 pt H II y)
Icircn ambele cazuri p ltlt l
Primele experimente au fost realizate cu metamaterial cu n lt 0 icircn
microunde (J B Pendry D R Smith Phys Today June 2004)
(a) Structura rezonantă inele icircntrerupte şi tije
metalice (sacircrme vizibile icircn spatele suporţilor
verticali)
(b) Banda spectrală pentru εr lt 0 şi micror lt 0
(c) Spectrul de putere transmisă numai tije
metalice verde numai inele icircntrerupte
albastru ambele roşu transmisie =
propagare
Fig14
Icircn topul descoperirilor pentru Nobel 2010 a fost şi cel oferit pentru
predicţia descoperirea şi dezvoltarea metamaterialelor negative - (Victor
Veselago John Pendry David Smith Xiang Zhang Sheldon Schultz Ulf
Leonhardt) Metamateriale sunt compuse
din componente mici cum ar fi inele mici si
tije Ele produc efecte optice noi
Refracţia negativă in microunde (J B
Pendry D R Smith Phys Today June
2004)
16
(a) Prismă cu n lt 0 simulare
(b) Prismă cu n gt 0 (teflon) simulare
(c) Experiment prismă metamaterial n lt 0
(d) Experiment prismă teflon
Fig15
Progrese icircn microunde prin realizarea unei
prisme din metamaterial pentru microunde
(Costas M Soukoulis este un distins profesor
de fizică al Iowa State University şi senior
fizician la Ames Laboratory Cartea sa
include Photonic Band Gap Materials and
Photonic Crystals and Light Localization in the Twenty-First Century
2006)
Acest cristal fotonic este o Lentilă Veselago-Pendry pentru
microunde cu indice de refactie n = -1 rezoluţie spaţială lt l (Fig16)
Sir John Brian Pendry este un fizician englez cunoscut pentru studiile
sale privind indicele de refracţie El a creat ldquopelerina invizibilităţiirdquo
(Invisibility Cloak) El este acum la catedra de fizică teoretică a stării
solide al Imperial College London Icircn 2006 primeşte Medalia Regală - The
Royal Medal of the Royal Society of London
Fig16
Astăzi s-au realizat metamateriale pentru
infraroşu şi vizibil domeniul optic fiind icircn
plină cercetare pentru realizarea invizibilităţii
17
Metamateriale sunt
bull materiale artificiale caracterizate de proprietăţi (electromagnetice)
care provin din structura acestora şi nu direct din proprietăţile
materialelor care le compun
bull Materiale prezintă anumite caracteristici structurale comparabile ca
dimensiune cu lungimea de undă a radiaţiei electromagnetice cu care
interacţionează
bull metamaterialele ldquostacircngirdquo (ldquoleft handed metamaterialrdquo ndash LHM) - nu
verifică regula măinii drepte astfel icircncacirct viteza de fază şi cea de grup
au sensuri diferite - permitivitatea electrică şi permeabilitatea
magnetică sunt negative
bull Materiale icircn care are loc refracţia negativă un fenomen anormal icircn
electromagnetism pentru care raza refractată este de aceeaşi parte ca
şi raza incidentă
bull Icircn realitate foarte străvechi pentru că le putem considera spre
exemplu sticlele colorate utilizate icircn vitraliile catedralelor
bull şi cristalele fotonice ( Fig17)
Fig17 piatra de opal a brăţării este un cristal fotonic
Ce este cristalul fotonic
Răspuns Cristalul fotonic este un mediu
dielectric periodic 1D 2D sau 3D avacircnd
periodicitatea de ordinul lungimii de undă
18
a undei electromagnetice realizat prin tehnologii de microprelucrare
Principala sa proprietate este structura de benzi fotonice Pentru o undă
monocromatica care se propagă icircntr-un cristal fotonic ideal va exista o
bandă de frecvenţă interzisă (bandgap) indiferent de direcţia undei şi
indiferent de starea de polarizare a undei Lord Rayleigh icircn 1887 a fost
primul care a arătat că se poate obţine o bandă interzisă sau band gap iar
temenul de laquo cristal fotonic raquo nu a fost introdus decacirct icircn 1987 odată cu
apariţia a două articole majore de Eli Yablonovitch şi Sajeev John Icircn
natură pe lacircngă cristalul de opal care are micro bile de siliciu repartizate
aproape uniform cristale fotonice se icircntacirclnesc şi icircn lumea animală la o
specie de vierme marin Afrodita şi la aripile fluturelui Cyanophrys remus ce
posedă o nano- arhitectură complexă la care culorile albastru metalic şi
verde sunt atribuite structurii de cristale fotonice Ele sunt compuse din
chitină şi aer iar aranjamentul formează o structură dielectrică periodică
Una dintre barierele existente icircn telecomunicaţii la ora actuală este
reprezentată de nodurile de procesare care conectează reţelele de fibră
optică noduri necesare pentru routarea informaţiilor La ora actuală nu
există o metoda ieftină şi eficientă ca acest proces sa fie unul icircn totalitate
optic transmisia optică trebuind să fie convertită icircn semnale electrice pentru
a fi procesată de echipamentele de routare după care la loc icircn semnale
optice pentru transmisia mai departe Acest lucru reprezintă o gacirctuire a
fluxului de date deoarece fibra optică poate transmite mult mai multă
informatie (şi mai rapid) decat firele de cupru Aceasta pentru că icircn fibra
optică transmisia este realizată pe lungimi
de undă diferite un fel de separare pe
culori De aceea ideea este de a realiza nişte
cristale fotonice (cu un exemplu de structură
19
ilustrată icircn imagine) care să separe aceste culori diferite de lumina albă şi să
le routeze icircntr-un mod eficient ( Fig18)
Fig18
5 Invizibilitatea
Pacircnă nu demult invizibilitatea ţinea de domeniul fantasticului Se
pare icircnsă că omul invizibil al lui Wells dar şi navele invizibile ale
klingonienilor din Star Trek sunt pe cale să coboare din literatura şi filmele
science-fiction icircn lumea reală Pelerina invizibilităţii este tot mai aproape
de realitate Cercetătorii au realizat două noi tipuri de materiale care reflectă
lumina icircn mod diferit ceea ce aduce mai aproape de realitate dispozitivul
supranumit pelerina invizibilităţii Unul dintre materiale foloseşte o plasă
din straturi metalice care reflectă icircn sens invers direcţia luminii icircn timp ce
20
al doilea foloseşte fire minuscule de argint Componenţa ambelor materiale
poate fi analizată la scară nanometrică Ambele creaţii ale oamenilor de
ştiinţă sunt metamateriale structuri realizate artificial care au proprietăţi ce
nu se icircntacirclnesc icircn natură cum ar fi indicele de refracţie negativ Două echipe
au lucrat separat la elaborarea materialelor
sub conducerea lui Xiang Zhang de la Centrul
de inginerie şi ştiinţă nanometrică din cadrul
Universităţii Berkley California Fiecare
dintre noile materiale are proprietăţi de
reflectare a luminii icircn valuri de lungime
limitată astfel icircncacirct nimeni nu le poate utiliza
pentru a ascunde clădiri de sateliţi a declarat
Jason Valentine membru al uneia dintre echipe De fapt nu ascundem
nimic Nu cred că trebuie să fim icircngrijoraţi de persoane invizibile care să
umble icircn jurul nostru icircn viitorul apropiat Să fiu cinstit suntem abia la
icircnceput icircn ceea ce priveşte cercetările privind invizibilitatea a spus
Valentine Echipa lui Valentine a realizat un material care influenţează
lumina din apropierea spectrului vizibil icircntr-o regiune folosită icircn cadrul
fibrelor optice Icircn materialele naturale indicele de refracţie care măsoară
modul icircn care lumina acţionează icircntr-un mediu este pozitiv a spus el
Atunci cacircnd vezi un peşte icircn apă acesta va apărea icircn faţa poziţiei icircn care se
află de fapt Dacă pui un băţ icircn apă acesta pare să se icircndoaie a precizat el
menţionacircnd că aceste iluzii sunt provocate de modul icircn care lumina se
refractă atunci cacircnd se mişcă icircntre apă şi aer
Icircnconjoară obiectul ce se doreşte invizibil cu un metamaterial (Fig19)care
să deformeze traseul razelor de lumină prin metamaterial ocolind obiectul
şi care să le recombine după obiect aşa cum erau icircnainte de obiect astfel
obiectul nu este vizibil
Fig19
21
Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de
pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns
profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific
cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991
de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru
Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors
niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru
Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea
Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul
timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al
bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici
au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale
cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că
obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci
cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a
spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi
mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu
are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric
vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un
obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a
acestuia
Foarte flexibil dar mai ales ldquoinvizibilrdquo Metaflex face parte din
categoria metamaterialelor capabile sa devieze traiectoria radiaţiilor făcacircnd
invizibile obiectele Metaflex a fost realizat de cercetătorul italian Andrea
22
Di Falco şi echipa lui de la Universitatea St Andrews din Scoţia Metaflex
constituie subiectul proiectului de cercetare icircn cadrul EPSRC( Engineering
and Physical Science Research Council) denumit bdquoMetaflex- materiale pe
straturi optice transparente flexibilerdquo avacircnd ca scop fabricarea
metamaterialelor icircn membrane foarte subţiri şi flexibile După cum au
explicat oamenii de ştiinţă icircntr-un articol publicat icircn New Journal of
Physics incredibila elasticitate a materialului permite imaginarea unor
aplicaţii SF precum hainele icircn măsura să-l facă pe cel care le poartă
invizibil Găsirea unei modalităţi de a ascunde obiecte de lumina vizibilă
este o veche idee fixă de-a oamenilor de ştiinţă Primele succese icircn acest
sens au fost reprezentate de crearea unor materiale cu caracteristici electrice
şi magnetice speciale Aceste metamateriale care au proprietăţile datorită
structurii geometrice a atomilor sunt icircn măsură să facă să treacă o radiaţie
electromagnetică icircn jurul unui obiect Astfel obiectul devine invizibil
deoarece eludează incidenţa şi reflexia radiaţiei Pacircnă astăzi cercetătorii au
reuşit să creeze materiale invizibile la microunde şi raze infraroşii dar nu şi
la lumina vizibilă Dificultatea de a face un obiect transparent la radiaţia
luminoasă stă icircn faptul că trebuie lucrat pe geometrii infinit de mici
capabile să interacţioneze cu lumina care are o lungime de undă de ordinul
a doar cacircteva sute de nanometri Odată depaşită această dificultate
cercetătorii s-au văzut nevoiţi să icircnfrunte o alta proiectarea unui meta-
material care sa nu fie rigid ci flexibil astfel icircncacirct să poată fi utilizat pentru
fabricarea obiectelor elastice Echipa lui Di Falco a reuşit să depăşească şi
acest ultim obstacol obţinacircnd un pătrăţel de cacircţiva centimetri pătraţi şi o
grosime de 4 micrometri care face obiectele transparente la lumina
portocalie Mai rămacircne de văzut dacă aceste caracteristici ale materialului se
modifică atunci cacircnd este icircndoit sau rămacircn neschimbate icircn primul caz
invenţia va deschide calea realizării unei noi clase de lentile icircn al doilea
punerii la punct a unei adevărate pelerine a invizibilităţii Flexibilitatea
23
metaflexului permite proiectarea şi fabricarea unui sistem de camuflaj
deoarece materialul se poate adapta mediului icircnconjurător
Icircn cadrul studiului lor un grup de cercetători germani si englezi
coordonaţi de Tolga Ergin şi Nicolas Stenger de la Institutul de Tehnologie
din Karlsruhe au utilizat mantaua tridimensională pentru a face invizibilă o
protuberanţă de pe o suprafaţă de aur Mantaua este compusă din lentile
speciale asamblate icircntr-o structură polimerică lentile a căror caracteristică
este aceea de a se lega parţial de undele luminoase astfel icircncacirct să icircmpiedice
lumina să se difuzeze Toate structurile de acest gen realizate pacircnă icircn
prezent sunt bidimensionale dar ulterior a demonstrat că poate funcţiona şi
icircn 3D a precizat Ergin Aşa-numitele materiale ale invizibilităţii sunt
nanomateriale cu dimensiuni de ordinul milionimilor de metru Sunt
capabile sa devieze undele luminoase orientacircndu-le icircn jurul unui obiect
pacircnă cacircnd icircl icircnfăşoară ca o găoace aceasta comportacircndu-se de fapt ca o
manta a invizibilităţii
Obiectele pot fi făcute să pară invizibile lungimilor mari de undă
precum cele utilizate de radare dar nu şi acelora mai mici caracteristice
luminii Oamenii de ştiinţă speră să creeze materiale capabile să forţeze
circularea pe lacircngă un obiect a luminii astfel icircncacirct să icircl mascheze icircn faţa
ochiului uman şi să icircl facă practic invizibil Suprafeţele vor putea fi astfel
determinate să manipuleze toate formele de radiaţie cum ar fi lumina
microundele sau radiaţia
terahertziană conducacircnd la potenţiale
aplicaţii icircn medicină securitate şi
comunicaţii Echipele de cercetare
24
sunt coordonate de profesorul Sir John Pendry o autoritate de talie
mondiala icircn fizică de la ICL care a propus pentru prima oară icircn anul 2006
şi de către profesorul Ştefan Maier un vacircrf de lance icircn domeniul
plasmonicii sau tehnologiei undelor electromagnetice
Fig21 Exemplu de camuflaj vizibil Bombardier Stealth (SUA) ndash negru
(absorbant) icircn microunde şi vizibil
6 Bibliografie
Metaflex-mirajul invizibilităţii Revista Evrika nr12 decembrie 2010
George Nemeş Materiale cu indice de refracţie negativ (metamateriale)
Principii fizice si perspective 2005
G V Eleftheriades K G Balmain Negative-Refraction Metamaterials
Fundamental Principles and Applications Wiley Canada 2005
25
C Caloz T Itoh Electromagnetic Metamaterials Transmission Line
Theory and Microwave Applications Wiley Hoboken NJ 2006
Metaflex-primul material cu adevărat invizibil wwwdescoperăro
N Garcia and M Nieto-Vesperinas Phys Rev Lett 88 207403 (2002)
Sergiu Langa şi Ion Tighineanu UNIVERSITATEA TEHNICĂ A
MOLDOVEI FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE vol 1 nr 4 2000
httpwwwstandrewsacuk~ulfinvisibilityhtml
26
- Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de domeniul science fiction a declarat profesorul Milton
- Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991 de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
- Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a acestuia
-
diferite (icircn sensul că viteza de deplasare prin cele două medii diferă) se cere
drumul optim icircntre cele două puncte Intuitiv problema poate fi enunţată
astfel o persoană se află pe plajă şi trebuie să ajungă la o baliză aflată icircn
apă (se presupune că linia ţărmului este o dreaptă) care este drumul optim
(din punct de vedere temporal) ţinacircnd cont că pe plajă aleargă mai repede
decacirct icircnoată icircn apă Desigur că soluţia depinde de raportul vitezelor icircn cele
două medii (icircn cazul luminii acest raport se numește indice de refracţie) O
rază de lumină care porneşte dintr-un punct aflat icircn unul dintre medii va
urma tocmai acest drum optim pentru a ajunge la un punct din celălalt
mediu Icircn cazul refracţiei pozitive raza se va propaga intr-o direcţie situată
icircntre perpendiculara pe suprafaţa
materialului şi direcţia razei iniţiale
Fig6
Pe de altă parte icircn cazul indicelui de
refracţie negativ n lt0 unghiul de
refracţie va fi de asemenea negativ raza refractată se va situa prin urmare de
partea stacircngă a normalei la suprafaţa materialului ( Fig6)
Indicele de refracţie al unui mediu este raportul dintre viteza luminii in vid
şi viteza luminii icircn acel mediu Datorită faptului că lumina de frecvenţe
diferite călătoreşte la viteze diferite icircntr-un mediu indicele de refracţie este
diferit pentru lumina de frecvenţe diferite Asta icircnseamnă că lumina de
culori diferite este refractată la unghiuri diferite cacircnd trece dintr-un mediu icircn
altul Efectul obţinut este dispersia luminii la trecerea acesteia prin prisma
optică Pentru cacircteva substanţe indicele de refracţie este 1000 pentru vid
10003 pentru aer 1309 pentru gheaţă 152 pentru sticlă crown 192
pentru zircon şi 242 pentru diamant
Legea refracţiei Snell-Descartes importantă lege numită astfel
după matematicianul olandez Willebrord Snell şi francezul Descartes
7
afirmă că produsul indicelui de refracţie şi sinusul unghiului de incidenţă al
unei raze icircntr-un mediu este egal cu produsul indicelui de refracţie şi
sinusului unghiului de refracţie icircntr-un mediu succesiv adică
Indicele de refracţie al unui mediu este caracterizat prin două mărimi
micror ndash permeabilitatea magnetică relativă şi εr- permitivitatea electrică relativă
ale mediului considerat astfel avem relaţia
8
3 Refracţia negativă
Refracţia negativă este un fenomen anormal icircn electromagnetism
pentru care raza refractată este de aceeaşi parte ca şi raza incidentă (vezi
figura alăturată) unde icircn cazul a) refracţia este icircntr-un material obişnuit ( n
gt 1) şi icircn cazul b) refracţia este neobişnuită icircn material cu indicele de
refracţie negativ (n lt 0) Deoarece unghiul de incidenţă i ia valori intre 0 si
2π respectiv sin i va fi mai mare ca
zero De aici rezultă că semnul lui sin
r va coincide cu semnul indicelui de
refracţie al materialului n
Fig7
Astfel dacă n gt 1 unghiul de refracţie va fi unul pozitiv (Fig 7a) şi mai mic
ca unghiul de incidenţă Adică raza se va propaga intr-o direcţie situată icircntre
perpendiculara pe suprafaţa materialului şi direcţia razei iniţiale Pe de altă
parte icircn cazul indicelui de refracţie negativ n lt 0 unghiul de refracţie va fi
de asemenea negativ ( Fig7b) Deci raza refractată se va situa de partea
stacircngă a normalei la suprafaţa materialului O astfel de refracţie ldquonegativărdquo
este total neobişnuită pentru materialele icircntacirclnite icircn natură
Printre consecinţele imediate ale refracţiei negative putem enumera
următoarele
1 Din punctul de vedere al opticii ondulatorii un material cu indicele de
refracţie negativ va modifica unda de lumină icircntr-un aşa mod icircncacirct unda va
produce vibraţii icircntr-o direcţie iar energia undei se va propaga icircn sens opus
9
2 Efectul Doppler va fi inversat adică frecvenţa unei surse de lumină care
se apropie de observator nu se va mări (deplasarea spre violet) cum este
firesc ci se va micşora (deplasarea spre roşu)
3 Efectul Cerenkov va fi de asemenea inversat Deci lumina generată
datorită faptului că mediul respectiv este traversat de o particulă icircncărcată va
fi emisă icircn spatele particulei şi nu icircn faţa ei
4 După cum a arătat Veselago icircn lucrările sale o simplă pană plan-paralelă
va funcţiona ca o lentilă creacircnd o imagine a obiectului icircn interiorul penei şi
alta de partea cealaltă a ei (Fig8) Această
proprietate ar simplifica considerabil
fabricarea lentilelor deoarece nu ar mai fi
necesar de a se prelucra lentila pentru a fi
convexă sau concavă după caz O astfel de
lentilă ar fi mai puţin capricioasă decacirct
lentilele obişnuite din simplul motiv că
obiectul ar putea fi situat icircn orice poziţie faţă
de lentilă şi nu numai pe axa ei cum e cazul
lentilelor obişnuite
5 O altă consecinţă a indicelui de refracţie negativ pe care se bazează ideea
lui J Pendry cu privire la lentilele perfecte este că undele evanescente ale
unui corp ar putea fi amplificate de o lentilă cu indicele de refracţie negativ
Undele evanescente ale unui corp au o lungime de undă foarte mică şi de
obicei nu părăsesc suprafaţa corpurilor Datorită lungimii de undă mici ele
conţin informaţia cea mai detaliată despre corp
6 Se ştie că atunci cacircnd privim intr-un vas cu apă adacircncimea acestui vas
pare a fi mult mai mică decacirct este icircn realitate
Acest efect se datorează
faptului că indicele de
refracţie al apei este pozitiv
10
Fig8pană plan-paralelă va funcţiona ca o lentilă creacircnd o imagine a obiectului icircn interiorul penei şi alta de partea cealaltă a ei
Admiţacircnd icircnsă că apa ar avea un indice de refracţie negativ adacircncimea
vasului cu apă nu ni s-ar mai părea a fi prea mică ci din contra vasul ar
părea mult mai adacircnc decacirct este icircn realitate iar un creion icircn paharul cu apă
se va vedea ca icircn fotografia alăturată stacircnga ( Fig9)
7 Comportarea lentilelor la lumină este inversă decacirct in cazul obişnuit
(a) Lentila convexă efect divergent
(b) Lentila concavă efect convergent
Notă Similar se icircntacircmplă icircn microunde şi icircn domeniul X pentru materialele
transparente cu 0 lt n lt 1 (nu au n lt 0)
8 Imaginea obiectelor printr-un material cu indice de refracţie negativ va fi
situată ca icircn Fig10 de mai jos unde se observă
bull imaginea peştelui situat icircn apă mai sus decacirct icircn realitate dar icircn interiorul
apei pentru indice de refracţie pozitiv- refracţie pozitivă
bull imaginea peştelui situat icircn apă mai sus decacirct icircn realitate dar icircn exteriorul
apei pentru indice de refracţie negativ- refracţie negativă
Fig10
11
4 Metamateriale
Materialele cu indicele de refracţie negativ se mai numesc şi
ldquomateriale de stacircngardquo (icircn engleză ldquoleft-handed materialsrdquo (LHM)) Icircn
materialele obişnuite adică icircn cele cu n gt 1 poziţia relativă a vectorilor
cacircmpului magnetic şi electric al unei unde se poate afla foarte uşor folosind
aşa-numita ldquoregulă a macircinii drepterdquo Se ştie că unda electromagnetică are
reprezentarea prin cei doi vectori E ndash intensitatea cacircmpului electric şi B-
inducţia cacircmpului magnetic vectori perpendiculari unul pe altul şi pe
direcţia de propagare a undei marcată prin vectorul k (Fig11)
Fig11
Pentru materialele cu indicele de refracţie negativ această regulă nu
mai este valabilă fiind necesar să se folosească ldquoregula macircinii stacircngirdquo De
aici şi provine denumirea de materiale ldquode stacircngardquo Ele mai sunt numite şi
materiale cu undă inversată (ldquobackward wave materialsrdquo (BWM) aceasta
fiind o aluzie la faptul că energia undei se propagă icircn sens opus faţă de
sensul de propagare al undei Icircnsă de cele mai multe ori ele sunt numite
materiale cu indice negativ (ldquonegative index materialsrdquo (NIM)) sau
materiale cu indice de refracţie negativ (ldquonegative refractive indexrdquo (NRI))
Este interesant faptul că materiale cu valori negative ale unuia din cei doi
parametri (ε sau μ) se icircntacirclnesc şi icircn natură De exemplu icircn unele metale
12
cum ar fi argintul sau semiconductori la anumite frecvenţe şi condiţii
exterioare ε ia valori negative Un alt exemplu icircl constituie aşa-numită
plasmă neutră fără coliziuni (puternic rarefiată) care nu este prea comună icircn
viaţa de toate zilele O astfel de plasmă are permitivitatea negativă la
frecvenţe mai mici decacirct aşa numita ldquofrecvenţă de plasmărdquo De asemenea
există o serie de materiale feromagnetice şi antiferomagnetice ale căror
permeabilităţii magnetice μ au valori negative
Icircn 1996 Pendry a anunţat că a obţinut un material artificial care fiind
expus acţiunii undelor electromagnetice are un răspuns asemănător cu cel al
plasmei neutre fără coliziuni deci are permitivitatea electrică ε negativă
Materialul raportat de Pendry reprezintă un masiv de conductori plasaţi
paralel la anumite distanţe unul de altul Cacircţiva ani mai tacircrziu Pendry a
anunţat fabricarea unui alt tip de material
artificial ndash aşa-numitul rezonator cu inele
deschise (split-ring rezonator (SRR) a
cărui permeabilitate magnetică μ icircntr-un
anumit domeniu de frecvenţe are valoare
negativă De aici şi pacircnă la realizarea ideii
lui Veselago nu mai rămăsese mult
Combinarea celor două materiale propuse
de Pendry ar forma un material cu valori
negative aticirct pentru permitivitatea electrică
ε cacirct şi pentru permeabilitatea magnetică μ Figura alăturată ne dă o
imagine cum ar putea arăta un astfel de material ( Fig11)
13
Fig12 Metamaterialul compus din inele şi fire metalice care are indice de refracţie negativ material cu valori negative aticirct pentru permitivitatea electrică ε cacirct şi pentru permeabilitatea magnetică μ
Măsurările electromagnetice ale materialelor propuse de Pendry au
fost realizate de D Smith şi echipa sa de la Universitatea din California
SUA Icircn cazul primului material (cu permitivitatea ε negativă) s-a observat
că există un anumit interval de frecvenţe icircn care toate microundele sunt
reflectate Folosind o noţiune din domeniul cristalelor fotonice putem spune
că acest material are o bandă interzisă pentru un anumit interval de
frecvenţe Este surprinzător faptul că dacă se combină acest material cu
materialul al doilea propus de Pendry undele din acelaşi interval nu mai
sunt reflectate ci transmise de material După un şir de alte experimente
Smith et al au ajuns la concluzia că metamaterialul compus din cele două
materiale propuse de Pendry icircndeplinesc condiţiile formulate de Veselago
pentru ca un material să aibă indicele de refracţie negativ Smith spune că
refracţia negativă observată de ei nu este mică ci din contra poate ajunge
chiar pacircnă la 80deg faţă de normala pe suprafaţa de incidenţă Imediat după
publicarea rezultatelor obţinute de Smith şi colaboratorii săi un alt grup de
cercetători de această dată de la Toronto Canada a anunţat că a reuşit
fabricarea unui material cu proprietăţi asemănătoare dar care are o structură
mult mai simplă decacirct cel investigat de echipa lui Smith Mai mult ca atacirct
Shalaev de la Universitatea din Purdue SUA au propus o structură care ar
permite fabricarea peliculelor subţiri cu indicele de refracţie negativ iar o
echipă din Elveţia a anunţat că este pe cale de a fabrica o structură
tridimensională cu indicele de refracţie negativ
Icircn pofida faptului că au fost publicate multe articole care pretind că a
fost observată experimental refracţia negativă icircn diferite materiale icircn lume
există cercetători care continuă să creadă că aşa ceva este contrar legilor
naturii şi că toate măsurătorile efectuate pacircnă acum nu sunt decicirct nişte
bdquoartefacterdquo experimentale W Kohn de la Universitatea din California
14
SUA spune ldquoMaterialele cu indice de refracţie negativ reprezintă o idee
genială icircnsă nu aş fi surprins dacă nu s-ar găsi multe aplicaţii ale acestor
materialerdquo Este suficient să ne aducem aminte că imediat după inventarea
laserului comunitatea ştiinţifică a fost surprinsă că s-a lucrat atacirct de mult
pentru a-l obţine iar aplicaţiile momentane ale laserului erau atacirct de
limitate Astăzi aplicaţiile laserului sunt atacirct de diverse şi multiple icircncacirct
este greu să ţi le imaginezi Să sperăm că istoria se va repeta şi icircn cazul
materialelor cu indicele de refracţie negativ
Pentru ca indicele de refracţie n să fie o mărime care să aibă
semnificaţie fizică (să existe) este nevoie de material omogen sau cvasi-
omogen (scala spaţială aneomogenităţilor periodice p să fie p ltlt l sau p lt
l4 ) Exemple de materiale omogene pentru lumina vizibilă (500 nm) sunt
gaze lichide solide transparente Exemple de neomogenităţi neglijabile
pentru lumina vizibilă sunt atomi molecule unde diametre atomice sunt
001 nm ndash 01 nm iar dimensiunile legăturilor atomice sunt 01 nm ndash 02
nm (legătura C-C 0154 nm hexagon benzen 0280 nm) diametrul
moleculei de ulei asymp 20 nm - 25 nm De comparat cu lungimea de undă icircn
vizibil λ asymp 500 nm
Exemple de structuri periodice Pendry
15
Fig13
(a) Tije metalice (ε lt 0 pt E II z) (b) Inele icircntrerupte (micro lt 0 pt H II y)
Icircn ambele cazuri p ltlt l
Primele experimente au fost realizate cu metamaterial cu n lt 0 icircn
microunde (J B Pendry D R Smith Phys Today June 2004)
(a) Structura rezonantă inele icircntrerupte şi tije
metalice (sacircrme vizibile icircn spatele suporţilor
verticali)
(b) Banda spectrală pentru εr lt 0 şi micror lt 0
(c) Spectrul de putere transmisă numai tije
metalice verde numai inele icircntrerupte
albastru ambele roşu transmisie =
propagare
Fig14
Icircn topul descoperirilor pentru Nobel 2010 a fost şi cel oferit pentru
predicţia descoperirea şi dezvoltarea metamaterialelor negative - (Victor
Veselago John Pendry David Smith Xiang Zhang Sheldon Schultz Ulf
Leonhardt) Metamateriale sunt compuse
din componente mici cum ar fi inele mici si
tije Ele produc efecte optice noi
Refracţia negativă in microunde (J B
Pendry D R Smith Phys Today June
2004)
16
(a) Prismă cu n lt 0 simulare
(b) Prismă cu n gt 0 (teflon) simulare
(c) Experiment prismă metamaterial n lt 0
(d) Experiment prismă teflon
Fig15
Progrese icircn microunde prin realizarea unei
prisme din metamaterial pentru microunde
(Costas M Soukoulis este un distins profesor
de fizică al Iowa State University şi senior
fizician la Ames Laboratory Cartea sa
include Photonic Band Gap Materials and
Photonic Crystals and Light Localization in the Twenty-First Century
2006)
Acest cristal fotonic este o Lentilă Veselago-Pendry pentru
microunde cu indice de refactie n = -1 rezoluţie spaţială lt l (Fig16)
Sir John Brian Pendry este un fizician englez cunoscut pentru studiile
sale privind indicele de refracţie El a creat ldquopelerina invizibilităţiirdquo
(Invisibility Cloak) El este acum la catedra de fizică teoretică a stării
solide al Imperial College London Icircn 2006 primeşte Medalia Regală - The
Royal Medal of the Royal Society of London
Fig16
Astăzi s-au realizat metamateriale pentru
infraroşu şi vizibil domeniul optic fiind icircn
plină cercetare pentru realizarea invizibilităţii
17
Metamateriale sunt
bull materiale artificiale caracterizate de proprietăţi (electromagnetice)
care provin din structura acestora şi nu direct din proprietăţile
materialelor care le compun
bull Materiale prezintă anumite caracteristici structurale comparabile ca
dimensiune cu lungimea de undă a radiaţiei electromagnetice cu care
interacţionează
bull metamaterialele ldquostacircngirdquo (ldquoleft handed metamaterialrdquo ndash LHM) - nu
verifică regula măinii drepte astfel icircncacirct viteza de fază şi cea de grup
au sensuri diferite - permitivitatea electrică şi permeabilitatea
magnetică sunt negative
bull Materiale icircn care are loc refracţia negativă un fenomen anormal icircn
electromagnetism pentru care raza refractată este de aceeaşi parte ca
şi raza incidentă
bull Icircn realitate foarte străvechi pentru că le putem considera spre
exemplu sticlele colorate utilizate icircn vitraliile catedralelor
bull şi cristalele fotonice ( Fig17)
Fig17 piatra de opal a brăţării este un cristal fotonic
Ce este cristalul fotonic
Răspuns Cristalul fotonic este un mediu
dielectric periodic 1D 2D sau 3D avacircnd
periodicitatea de ordinul lungimii de undă
18
a undei electromagnetice realizat prin tehnologii de microprelucrare
Principala sa proprietate este structura de benzi fotonice Pentru o undă
monocromatica care se propagă icircntr-un cristal fotonic ideal va exista o
bandă de frecvenţă interzisă (bandgap) indiferent de direcţia undei şi
indiferent de starea de polarizare a undei Lord Rayleigh icircn 1887 a fost
primul care a arătat că se poate obţine o bandă interzisă sau band gap iar
temenul de laquo cristal fotonic raquo nu a fost introdus decacirct icircn 1987 odată cu
apariţia a două articole majore de Eli Yablonovitch şi Sajeev John Icircn
natură pe lacircngă cristalul de opal care are micro bile de siliciu repartizate
aproape uniform cristale fotonice se icircntacirclnesc şi icircn lumea animală la o
specie de vierme marin Afrodita şi la aripile fluturelui Cyanophrys remus ce
posedă o nano- arhitectură complexă la care culorile albastru metalic şi
verde sunt atribuite structurii de cristale fotonice Ele sunt compuse din
chitină şi aer iar aranjamentul formează o structură dielectrică periodică
Una dintre barierele existente icircn telecomunicaţii la ora actuală este
reprezentată de nodurile de procesare care conectează reţelele de fibră
optică noduri necesare pentru routarea informaţiilor La ora actuală nu
există o metoda ieftină şi eficientă ca acest proces sa fie unul icircn totalitate
optic transmisia optică trebuind să fie convertită icircn semnale electrice pentru
a fi procesată de echipamentele de routare după care la loc icircn semnale
optice pentru transmisia mai departe Acest lucru reprezintă o gacirctuire a
fluxului de date deoarece fibra optică poate transmite mult mai multă
informatie (şi mai rapid) decat firele de cupru Aceasta pentru că icircn fibra
optică transmisia este realizată pe lungimi
de undă diferite un fel de separare pe
culori De aceea ideea este de a realiza nişte
cristale fotonice (cu un exemplu de structură
19
ilustrată icircn imagine) care să separe aceste culori diferite de lumina albă şi să
le routeze icircntr-un mod eficient ( Fig18)
Fig18
5 Invizibilitatea
Pacircnă nu demult invizibilitatea ţinea de domeniul fantasticului Se
pare icircnsă că omul invizibil al lui Wells dar şi navele invizibile ale
klingonienilor din Star Trek sunt pe cale să coboare din literatura şi filmele
science-fiction icircn lumea reală Pelerina invizibilităţii este tot mai aproape
de realitate Cercetătorii au realizat două noi tipuri de materiale care reflectă
lumina icircn mod diferit ceea ce aduce mai aproape de realitate dispozitivul
supranumit pelerina invizibilităţii Unul dintre materiale foloseşte o plasă
din straturi metalice care reflectă icircn sens invers direcţia luminii icircn timp ce
20
al doilea foloseşte fire minuscule de argint Componenţa ambelor materiale
poate fi analizată la scară nanometrică Ambele creaţii ale oamenilor de
ştiinţă sunt metamateriale structuri realizate artificial care au proprietăţi ce
nu se icircntacirclnesc icircn natură cum ar fi indicele de refracţie negativ Două echipe
au lucrat separat la elaborarea materialelor
sub conducerea lui Xiang Zhang de la Centrul
de inginerie şi ştiinţă nanometrică din cadrul
Universităţii Berkley California Fiecare
dintre noile materiale are proprietăţi de
reflectare a luminii icircn valuri de lungime
limitată astfel icircncacirct nimeni nu le poate utiliza
pentru a ascunde clădiri de sateliţi a declarat
Jason Valentine membru al uneia dintre echipe De fapt nu ascundem
nimic Nu cred că trebuie să fim icircngrijoraţi de persoane invizibile care să
umble icircn jurul nostru icircn viitorul apropiat Să fiu cinstit suntem abia la
icircnceput icircn ceea ce priveşte cercetările privind invizibilitatea a spus
Valentine Echipa lui Valentine a realizat un material care influenţează
lumina din apropierea spectrului vizibil icircntr-o regiune folosită icircn cadrul
fibrelor optice Icircn materialele naturale indicele de refracţie care măsoară
modul icircn care lumina acţionează icircntr-un mediu este pozitiv a spus el
Atunci cacircnd vezi un peşte icircn apă acesta va apărea icircn faţa poziţiei icircn care se
află de fapt Dacă pui un băţ icircn apă acesta pare să se icircndoaie a precizat el
menţionacircnd că aceste iluzii sunt provocate de modul icircn care lumina se
refractă atunci cacircnd se mişcă icircntre apă şi aer
Icircnconjoară obiectul ce se doreşte invizibil cu un metamaterial (Fig19)care
să deformeze traseul razelor de lumină prin metamaterial ocolind obiectul
şi care să le recombine după obiect aşa cum erau icircnainte de obiect astfel
obiectul nu este vizibil
Fig19
21
Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de
pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns
profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific
cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991
de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru
Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors
niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru
Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea
Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul
timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al
bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici
au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale
cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că
obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci
cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a
spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi
mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu
are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric
vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un
obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a
acestuia
Foarte flexibil dar mai ales ldquoinvizibilrdquo Metaflex face parte din
categoria metamaterialelor capabile sa devieze traiectoria radiaţiilor făcacircnd
invizibile obiectele Metaflex a fost realizat de cercetătorul italian Andrea
22
Di Falco şi echipa lui de la Universitatea St Andrews din Scoţia Metaflex
constituie subiectul proiectului de cercetare icircn cadrul EPSRC( Engineering
and Physical Science Research Council) denumit bdquoMetaflex- materiale pe
straturi optice transparente flexibilerdquo avacircnd ca scop fabricarea
metamaterialelor icircn membrane foarte subţiri şi flexibile După cum au
explicat oamenii de ştiinţă icircntr-un articol publicat icircn New Journal of
Physics incredibila elasticitate a materialului permite imaginarea unor
aplicaţii SF precum hainele icircn măsura să-l facă pe cel care le poartă
invizibil Găsirea unei modalităţi de a ascunde obiecte de lumina vizibilă
este o veche idee fixă de-a oamenilor de ştiinţă Primele succese icircn acest
sens au fost reprezentate de crearea unor materiale cu caracteristici electrice
şi magnetice speciale Aceste metamateriale care au proprietăţile datorită
structurii geometrice a atomilor sunt icircn măsură să facă să treacă o radiaţie
electromagnetică icircn jurul unui obiect Astfel obiectul devine invizibil
deoarece eludează incidenţa şi reflexia radiaţiei Pacircnă astăzi cercetătorii au
reuşit să creeze materiale invizibile la microunde şi raze infraroşii dar nu şi
la lumina vizibilă Dificultatea de a face un obiect transparent la radiaţia
luminoasă stă icircn faptul că trebuie lucrat pe geometrii infinit de mici
capabile să interacţioneze cu lumina care are o lungime de undă de ordinul
a doar cacircteva sute de nanometri Odată depaşită această dificultate
cercetătorii s-au văzut nevoiţi să icircnfrunte o alta proiectarea unui meta-
material care sa nu fie rigid ci flexibil astfel icircncacirct să poată fi utilizat pentru
fabricarea obiectelor elastice Echipa lui Di Falco a reuşit să depăşească şi
acest ultim obstacol obţinacircnd un pătrăţel de cacircţiva centimetri pătraţi şi o
grosime de 4 micrometri care face obiectele transparente la lumina
portocalie Mai rămacircne de văzut dacă aceste caracteristici ale materialului se
modifică atunci cacircnd este icircndoit sau rămacircn neschimbate icircn primul caz
invenţia va deschide calea realizării unei noi clase de lentile icircn al doilea
punerii la punct a unei adevărate pelerine a invizibilităţii Flexibilitatea
23
metaflexului permite proiectarea şi fabricarea unui sistem de camuflaj
deoarece materialul se poate adapta mediului icircnconjurător
Icircn cadrul studiului lor un grup de cercetători germani si englezi
coordonaţi de Tolga Ergin şi Nicolas Stenger de la Institutul de Tehnologie
din Karlsruhe au utilizat mantaua tridimensională pentru a face invizibilă o
protuberanţă de pe o suprafaţă de aur Mantaua este compusă din lentile
speciale asamblate icircntr-o structură polimerică lentile a căror caracteristică
este aceea de a se lega parţial de undele luminoase astfel icircncacirct să icircmpiedice
lumina să se difuzeze Toate structurile de acest gen realizate pacircnă icircn
prezent sunt bidimensionale dar ulterior a demonstrat că poate funcţiona şi
icircn 3D a precizat Ergin Aşa-numitele materiale ale invizibilităţii sunt
nanomateriale cu dimensiuni de ordinul milionimilor de metru Sunt
capabile sa devieze undele luminoase orientacircndu-le icircn jurul unui obiect
pacircnă cacircnd icircl icircnfăşoară ca o găoace aceasta comportacircndu-se de fapt ca o
manta a invizibilităţii
Obiectele pot fi făcute să pară invizibile lungimilor mari de undă
precum cele utilizate de radare dar nu şi acelora mai mici caracteristice
luminii Oamenii de ştiinţă speră să creeze materiale capabile să forţeze
circularea pe lacircngă un obiect a luminii astfel icircncacirct să icircl mascheze icircn faţa
ochiului uman şi să icircl facă practic invizibil Suprafeţele vor putea fi astfel
determinate să manipuleze toate formele de radiaţie cum ar fi lumina
microundele sau radiaţia
terahertziană conducacircnd la potenţiale
aplicaţii icircn medicină securitate şi
comunicaţii Echipele de cercetare
24
sunt coordonate de profesorul Sir John Pendry o autoritate de talie
mondiala icircn fizică de la ICL care a propus pentru prima oară icircn anul 2006
şi de către profesorul Ştefan Maier un vacircrf de lance icircn domeniul
plasmonicii sau tehnologiei undelor electromagnetice
Fig21 Exemplu de camuflaj vizibil Bombardier Stealth (SUA) ndash negru
(absorbant) icircn microunde şi vizibil
6 Bibliografie
Metaflex-mirajul invizibilităţii Revista Evrika nr12 decembrie 2010
George Nemeş Materiale cu indice de refracţie negativ (metamateriale)
Principii fizice si perspective 2005
G V Eleftheriades K G Balmain Negative-Refraction Metamaterials
Fundamental Principles and Applications Wiley Canada 2005
25
C Caloz T Itoh Electromagnetic Metamaterials Transmission Line
Theory and Microwave Applications Wiley Hoboken NJ 2006
Metaflex-primul material cu adevărat invizibil wwwdescoperăro
N Garcia and M Nieto-Vesperinas Phys Rev Lett 88 207403 (2002)
Sergiu Langa şi Ion Tighineanu UNIVERSITATEA TEHNICĂ A
MOLDOVEI FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE vol 1 nr 4 2000
httpwwwstandrewsacuk~ulfinvisibilityhtml
26
- Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de domeniul science fiction a declarat profesorul Milton
- Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991 de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
- Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a acestuia
-
afirmă că produsul indicelui de refracţie şi sinusul unghiului de incidenţă al
unei raze icircntr-un mediu este egal cu produsul indicelui de refracţie şi
sinusului unghiului de refracţie icircntr-un mediu succesiv adică
Indicele de refracţie al unui mediu este caracterizat prin două mărimi
micror ndash permeabilitatea magnetică relativă şi εr- permitivitatea electrică relativă
ale mediului considerat astfel avem relaţia
8
3 Refracţia negativă
Refracţia negativă este un fenomen anormal icircn electromagnetism
pentru care raza refractată este de aceeaşi parte ca şi raza incidentă (vezi
figura alăturată) unde icircn cazul a) refracţia este icircntr-un material obişnuit ( n
gt 1) şi icircn cazul b) refracţia este neobişnuită icircn material cu indicele de
refracţie negativ (n lt 0) Deoarece unghiul de incidenţă i ia valori intre 0 si
2π respectiv sin i va fi mai mare ca
zero De aici rezultă că semnul lui sin
r va coincide cu semnul indicelui de
refracţie al materialului n
Fig7
Astfel dacă n gt 1 unghiul de refracţie va fi unul pozitiv (Fig 7a) şi mai mic
ca unghiul de incidenţă Adică raza se va propaga intr-o direcţie situată icircntre
perpendiculara pe suprafaţa materialului şi direcţia razei iniţiale Pe de altă
parte icircn cazul indicelui de refracţie negativ n lt 0 unghiul de refracţie va fi
de asemenea negativ ( Fig7b) Deci raza refractată se va situa de partea
stacircngă a normalei la suprafaţa materialului O astfel de refracţie ldquonegativărdquo
este total neobişnuită pentru materialele icircntacirclnite icircn natură
Printre consecinţele imediate ale refracţiei negative putem enumera
următoarele
1 Din punctul de vedere al opticii ondulatorii un material cu indicele de
refracţie negativ va modifica unda de lumină icircntr-un aşa mod icircncacirct unda va
produce vibraţii icircntr-o direcţie iar energia undei se va propaga icircn sens opus
9
2 Efectul Doppler va fi inversat adică frecvenţa unei surse de lumină care
se apropie de observator nu se va mări (deplasarea spre violet) cum este
firesc ci se va micşora (deplasarea spre roşu)
3 Efectul Cerenkov va fi de asemenea inversat Deci lumina generată
datorită faptului că mediul respectiv este traversat de o particulă icircncărcată va
fi emisă icircn spatele particulei şi nu icircn faţa ei
4 După cum a arătat Veselago icircn lucrările sale o simplă pană plan-paralelă
va funcţiona ca o lentilă creacircnd o imagine a obiectului icircn interiorul penei şi
alta de partea cealaltă a ei (Fig8) Această
proprietate ar simplifica considerabil
fabricarea lentilelor deoarece nu ar mai fi
necesar de a se prelucra lentila pentru a fi
convexă sau concavă după caz O astfel de
lentilă ar fi mai puţin capricioasă decacirct
lentilele obişnuite din simplul motiv că
obiectul ar putea fi situat icircn orice poziţie faţă
de lentilă şi nu numai pe axa ei cum e cazul
lentilelor obişnuite
5 O altă consecinţă a indicelui de refracţie negativ pe care se bazează ideea
lui J Pendry cu privire la lentilele perfecte este că undele evanescente ale
unui corp ar putea fi amplificate de o lentilă cu indicele de refracţie negativ
Undele evanescente ale unui corp au o lungime de undă foarte mică şi de
obicei nu părăsesc suprafaţa corpurilor Datorită lungimii de undă mici ele
conţin informaţia cea mai detaliată despre corp
6 Se ştie că atunci cacircnd privim intr-un vas cu apă adacircncimea acestui vas
pare a fi mult mai mică decacirct este icircn realitate
Acest efect se datorează
faptului că indicele de
refracţie al apei este pozitiv
10
Fig8pană plan-paralelă va funcţiona ca o lentilă creacircnd o imagine a obiectului icircn interiorul penei şi alta de partea cealaltă a ei
Admiţacircnd icircnsă că apa ar avea un indice de refracţie negativ adacircncimea
vasului cu apă nu ni s-ar mai părea a fi prea mică ci din contra vasul ar
părea mult mai adacircnc decacirct este icircn realitate iar un creion icircn paharul cu apă
se va vedea ca icircn fotografia alăturată stacircnga ( Fig9)
7 Comportarea lentilelor la lumină este inversă decacirct in cazul obişnuit
(a) Lentila convexă efect divergent
(b) Lentila concavă efect convergent
Notă Similar se icircntacircmplă icircn microunde şi icircn domeniul X pentru materialele
transparente cu 0 lt n lt 1 (nu au n lt 0)
8 Imaginea obiectelor printr-un material cu indice de refracţie negativ va fi
situată ca icircn Fig10 de mai jos unde se observă
bull imaginea peştelui situat icircn apă mai sus decacirct icircn realitate dar icircn interiorul
apei pentru indice de refracţie pozitiv- refracţie pozitivă
bull imaginea peştelui situat icircn apă mai sus decacirct icircn realitate dar icircn exteriorul
apei pentru indice de refracţie negativ- refracţie negativă
Fig10
11
4 Metamateriale
Materialele cu indicele de refracţie negativ se mai numesc şi
ldquomateriale de stacircngardquo (icircn engleză ldquoleft-handed materialsrdquo (LHM)) Icircn
materialele obişnuite adică icircn cele cu n gt 1 poziţia relativă a vectorilor
cacircmpului magnetic şi electric al unei unde se poate afla foarte uşor folosind
aşa-numita ldquoregulă a macircinii drepterdquo Se ştie că unda electromagnetică are
reprezentarea prin cei doi vectori E ndash intensitatea cacircmpului electric şi B-
inducţia cacircmpului magnetic vectori perpendiculari unul pe altul şi pe
direcţia de propagare a undei marcată prin vectorul k (Fig11)
Fig11
Pentru materialele cu indicele de refracţie negativ această regulă nu
mai este valabilă fiind necesar să se folosească ldquoregula macircinii stacircngirdquo De
aici şi provine denumirea de materiale ldquode stacircngardquo Ele mai sunt numite şi
materiale cu undă inversată (ldquobackward wave materialsrdquo (BWM) aceasta
fiind o aluzie la faptul că energia undei se propagă icircn sens opus faţă de
sensul de propagare al undei Icircnsă de cele mai multe ori ele sunt numite
materiale cu indice negativ (ldquonegative index materialsrdquo (NIM)) sau
materiale cu indice de refracţie negativ (ldquonegative refractive indexrdquo (NRI))
Este interesant faptul că materiale cu valori negative ale unuia din cei doi
parametri (ε sau μ) se icircntacirclnesc şi icircn natură De exemplu icircn unele metale
12
cum ar fi argintul sau semiconductori la anumite frecvenţe şi condiţii
exterioare ε ia valori negative Un alt exemplu icircl constituie aşa-numită
plasmă neutră fără coliziuni (puternic rarefiată) care nu este prea comună icircn
viaţa de toate zilele O astfel de plasmă are permitivitatea negativă la
frecvenţe mai mici decacirct aşa numita ldquofrecvenţă de plasmărdquo De asemenea
există o serie de materiale feromagnetice şi antiferomagnetice ale căror
permeabilităţii magnetice μ au valori negative
Icircn 1996 Pendry a anunţat că a obţinut un material artificial care fiind
expus acţiunii undelor electromagnetice are un răspuns asemănător cu cel al
plasmei neutre fără coliziuni deci are permitivitatea electrică ε negativă
Materialul raportat de Pendry reprezintă un masiv de conductori plasaţi
paralel la anumite distanţe unul de altul Cacircţiva ani mai tacircrziu Pendry a
anunţat fabricarea unui alt tip de material
artificial ndash aşa-numitul rezonator cu inele
deschise (split-ring rezonator (SRR) a
cărui permeabilitate magnetică μ icircntr-un
anumit domeniu de frecvenţe are valoare
negativă De aici şi pacircnă la realizarea ideii
lui Veselago nu mai rămăsese mult
Combinarea celor două materiale propuse
de Pendry ar forma un material cu valori
negative aticirct pentru permitivitatea electrică
ε cacirct şi pentru permeabilitatea magnetică μ Figura alăturată ne dă o
imagine cum ar putea arăta un astfel de material ( Fig11)
13
Fig12 Metamaterialul compus din inele şi fire metalice care are indice de refracţie negativ material cu valori negative aticirct pentru permitivitatea electrică ε cacirct şi pentru permeabilitatea magnetică μ
Măsurările electromagnetice ale materialelor propuse de Pendry au
fost realizate de D Smith şi echipa sa de la Universitatea din California
SUA Icircn cazul primului material (cu permitivitatea ε negativă) s-a observat
că există un anumit interval de frecvenţe icircn care toate microundele sunt
reflectate Folosind o noţiune din domeniul cristalelor fotonice putem spune
că acest material are o bandă interzisă pentru un anumit interval de
frecvenţe Este surprinzător faptul că dacă se combină acest material cu
materialul al doilea propus de Pendry undele din acelaşi interval nu mai
sunt reflectate ci transmise de material După un şir de alte experimente
Smith et al au ajuns la concluzia că metamaterialul compus din cele două
materiale propuse de Pendry icircndeplinesc condiţiile formulate de Veselago
pentru ca un material să aibă indicele de refracţie negativ Smith spune că
refracţia negativă observată de ei nu este mică ci din contra poate ajunge
chiar pacircnă la 80deg faţă de normala pe suprafaţa de incidenţă Imediat după
publicarea rezultatelor obţinute de Smith şi colaboratorii săi un alt grup de
cercetători de această dată de la Toronto Canada a anunţat că a reuşit
fabricarea unui material cu proprietăţi asemănătoare dar care are o structură
mult mai simplă decacirct cel investigat de echipa lui Smith Mai mult ca atacirct
Shalaev de la Universitatea din Purdue SUA au propus o structură care ar
permite fabricarea peliculelor subţiri cu indicele de refracţie negativ iar o
echipă din Elveţia a anunţat că este pe cale de a fabrica o structură
tridimensională cu indicele de refracţie negativ
Icircn pofida faptului că au fost publicate multe articole care pretind că a
fost observată experimental refracţia negativă icircn diferite materiale icircn lume
există cercetători care continuă să creadă că aşa ceva este contrar legilor
naturii şi că toate măsurătorile efectuate pacircnă acum nu sunt decicirct nişte
bdquoartefacterdquo experimentale W Kohn de la Universitatea din California
14
SUA spune ldquoMaterialele cu indice de refracţie negativ reprezintă o idee
genială icircnsă nu aş fi surprins dacă nu s-ar găsi multe aplicaţii ale acestor
materialerdquo Este suficient să ne aducem aminte că imediat după inventarea
laserului comunitatea ştiinţifică a fost surprinsă că s-a lucrat atacirct de mult
pentru a-l obţine iar aplicaţiile momentane ale laserului erau atacirct de
limitate Astăzi aplicaţiile laserului sunt atacirct de diverse şi multiple icircncacirct
este greu să ţi le imaginezi Să sperăm că istoria se va repeta şi icircn cazul
materialelor cu indicele de refracţie negativ
Pentru ca indicele de refracţie n să fie o mărime care să aibă
semnificaţie fizică (să existe) este nevoie de material omogen sau cvasi-
omogen (scala spaţială aneomogenităţilor periodice p să fie p ltlt l sau p lt
l4 ) Exemple de materiale omogene pentru lumina vizibilă (500 nm) sunt
gaze lichide solide transparente Exemple de neomogenităţi neglijabile
pentru lumina vizibilă sunt atomi molecule unde diametre atomice sunt
001 nm ndash 01 nm iar dimensiunile legăturilor atomice sunt 01 nm ndash 02
nm (legătura C-C 0154 nm hexagon benzen 0280 nm) diametrul
moleculei de ulei asymp 20 nm - 25 nm De comparat cu lungimea de undă icircn
vizibil λ asymp 500 nm
Exemple de structuri periodice Pendry
15
Fig13
(a) Tije metalice (ε lt 0 pt E II z) (b) Inele icircntrerupte (micro lt 0 pt H II y)
Icircn ambele cazuri p ltlt l
Primele experimente au fost realizate cu metamaterial cu n lt 0 icircn
microunde (J B Pendry D R Smith Phys Today June 2004)
(a) Structura rezonantă inele icircntrerupte şi tije
metalice (sacircrme vizibile icircn spatele suporţilor
verticali)
(b) Banda spectrală pentru εr lt 0 şi micror lt 0
(c) Spectrul de putere transmisă numai tije
metalice verde numai inele icircntrerupte
albastru ambele roşu transmisie =
propagare
Fig14
Icircn topul descoperirilor pentru Nobel 2010 a fost şi cel oferit pentru
predicţia descoperirea şi dezvoltarea metamaterialelor negative - (Victor
Veselago John Pendry David Smith Xiang Zhang Sheldon Schultz Ulf
Leonhardt) Metamateriale sunt compuse
din componente mici cum ar fi inele mici si
tije Ele produc efecte optice noi
Refracţia negativă in microunde (J B
Pendry D R Smith Phys Today June
2004)
16
(a) Prismă cu n lt 0 simulare
(b) Prismă cu n gt 0 (teflon) simulare
(c) Experiment prismă metamaterial n lt 0
(d) Experiment prismă teflon
Fig15
Progrese icircn microunde prin realizarea unei
prisme din metamaterial pentru microunde
(Costas M Soukoulis este un distins profesor
de fizică al Iowa State University şi senior
fizician la Ames Laboratory Cartea sa
include Photonic Band Gap Materials and
Photonic Crystals and Light Localization in the Twenty-First Century
2006)
Acest cristal fotonic este o Lentilă Veselago-Pendry pentru
microunde cu indice de refactie n = -1 rezoluţie spaţială lt l (Fig16)
Sir John Brian Pendry este un fizician englez cunoscut pentru studiile
sale privind indicele de refracţie El a creat ldquopelerina invizibilităţiirdquo
(Invisibility Cloak) El este acum la catedra de fizică teoretică a stării
solide al Imperial College London Icircn 2006 primeşte Medalia Regală - The
Royal Medal of the Royal Society of London
Fig16
Astăzi s-au realizat metamateriale pentru
infraroşu şi vizibil domeniul optic fiind icircn
plină cercetare pentru realizarea invizibilităţii
17
Metamateriale sunt
bull materiale artificiale caracterizate de proprietăţi (electromagnetice)
care provin din structura acestora şi nu direct din proprietăţile
materialelor care le compun
bull Materiale prezintă anumite caracteristici structurale comparabile ca
dimensiune cu lungimea de undă a radiaţiei electromagnetice cu care
interacţionează
bull metamaterialele ldquostacircngirdquo (ldquoleft handed metamaterialrdquo ndash LHM) - nu
verifică regula măinii drepte astfel icircncacirct viteza de fază şi cea de grup
au sensuri diferite - permitivitatea electrică şi permeabilitatea
magnetică sunt negative
bull Materiale icircn care are loc refracţia negativă un fenomen anormal icircn
electromagnetism pentru care raza refractată este de aceeaşi parte ca
şi raza incidentă
bull Icircn realitate foarte străvechi pentru că le putem considera spre
exemplu sticlele colorate utilizate icircn vitraliile catedralelor
bull şi cristalele fotonice ( Fig17)
Fig17 piatra de opal a brăţării este un cristal fotonic
Ce este cristalul fotonic
Răspuns Cristalul fotonic este un mediu
dielectric periodic 1D 2D sau 3D avacircnd
periodicitatea de ordinul lungimii de undă
18
a undei electromagnetice realizat prin tehnologii de microprelucrare
Principala sa proprietate este structura de benzi fotonice Pentru o undă
monocromatica care se propagă icircntr-un cristal fotonic ideal va exista o
bandă de frecvenţă interzisă (bandgap) indiferent de direcţia undei şi
indiferent de starea de polarizare a undei Lord Rayleigh icircn 1887 a fost
primul care a arătat că se poate obţine o bandă interzisă sau band gap iar
temenul de laquo cristal fotonic raquo nu a fost introdus decacirct icircn 1987 odată cu
apariţia a două articole majore de Eli Yablonovitch şi Sajeev John Icircn
natură pe lacircngă cristalul de opal care are micro bile de siliciu repartizate
aproape uniform cristale fotonice se icircntacirclnesc şi icircn lumea animală la o
specie de vierme marin Afrodita şi la aripile fluturelui Cyanophrys remus ce
posedă o nano- arhitectură complexă la care culorile albastru metalic şi
verde sunt atribuite structurii de cristale fotonice Ele sunt compuse din
chitină şi aer iar aranjamentul formează o structură dielectrică periodică
Una dintre barierele existente icircn telecomunicaţii la ora actuală este
reprezentată de nodurile de procesare care conectează reţelele de fibră
optică noduri necesare pentru routarea informaţiilor La ora actuală nu
există o metoda ieftină şi eficientă ca acest proces sa fie unul icircn totalitate
optic transmisia optică trebuind să fie convertită icircn semnale electrice pentru
a fi procesată de echipamentele de routare după care la loc icircn semnale
optice pentru transmisia mai departe Acest lucru reprezintă o gacirctuire a
fluxului de date deoarece fibra optică poate transmite mult mai multă
informatie (şi mai rapid) decat firele de cupru Aceasta pentru că icircn fibra
optică transmisia este realizată pe lungimi
de undă diferite un fel de separare pe
culori De aceea ideea este de a realiza nişte
cristale fotonice (cu un exemplu de structură
19
ilustrată icircn imagine) care să separe aceste culori diferite de lumina albă şi să
le routeze icircntr-un mod eficient ( Fig18)
Fig18
5 Invizibilitatea
Pacircnă nu demult invizibilitatea ţinea de domeniul fantasticului Se
pare icircnsă că omul invizibil al lui Wells dar şi navele invizibile ale
klingonienilor din Star Trek sunt pe cale să coboare din literatura şi filmele
science-fiction icircn lumea reală Pelerina invizibilităţii este tot mai aproape
de realitate Cercetătorii au realizat două noi tipuri de materiale care reflectă
lumina icircn mod diferit ceea ce aduce mai aproape de realitate dispozitivul
supranumit pelerina invizibilităţii Unul dintre materiale foloseşte o plasă
din straturi metalice care reflectă icircn sens invers direcţia luminii icircn timp ce
20
al doilea foloseşte fire minuscule de argint Componenţa ambelor materiale
poate fi analizată la scară nanometrică Ambele creaţii ale oamenilor de
ştiinţă sunt metamateriale structuri realizate artificial care au proprietăţi ce
nu se icircntacirclnesc icircn natură cum ar fi indicele de refracţie negativ Două echipe
au lucrat separat la elaborarea materialelor
sub conducerea lui Xiang Zhang de la Centrul
de inginerie şi ştiinţă nanometrică din cadrul
Universităţii Berkley California Fiecare
dintre noile materiale are proprietăţi de
reflectare a luminii icircn valuri de lungime
limitată astfel icircncacirct nimeni nu le poate utiliza
pentru a ascunde clădiri de sateliţi a declarat
Jason Valentine membru al uneia dintre echipe De fapt nu ascundem
nimic Nu cred că trebuie să fim icircngrijoraţi de persoane invizibile care să
umble icircn jurul nostru icircn viitorul apropiat Să fiu cinstit suntem abia la
icircnceput icircn ceea ce priveşte cercetările privind invizibilitatea a spus
Valentine Echipa lui Valentine a realizat un material care influenţează
lumina din apropierea spectrului vizibil icircntr-o regiune folosită icircn cadrul
fibrelor optice Icircn materialele naturale indicele de refracţie care măsoară
modul icircn care lumina acţionează icircntr-un mediu este pozitiv a spus el
Atunci cacircnd vezi un peşte icircn apă acesta va apărea icircn faţa poziţiei icircn care se
află de fapt Dacă pui un băţ icircn apă acesta pare să se icircndoaie a precizat el
menţionacircnd că aceste iluzii sunt provocate de modul icircn care lumina se
refractă atunci cacircnd se mişcă icircntre apă şi aer
Icircnconjoară obiectul ce se doreşte invizibil cu un metamaterial (Fig19)care
să deformeze traseul razelor de lumină prin metamaterial ocolind obiectul
şi care să le recombine după obiect aşa cum erau icircnainte de obiect astfel
obiectul nu este vizibil
Fig19
21
Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de
pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns
profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific
cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991
de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru
Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors
niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru
Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea
Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul
timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al
bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici
au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale
cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că
obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci
cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a
spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi
mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu
are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric
vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un
obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a
acestuia
Foarte flexibil dar mai ales ldquoinvizibilrdquo Metaflex face parte din
categoria metamaterialelor capabile sa devieze traiectoria radiaţiilor făcacircnd
invizibile obiectele Metaflex a fost realizat de cercetătorul italian Andrea
22
Di Falco şi echipa lui de la Universitatea St Andrews din Scoţia Metaflex
constituie subiectul proiectului de cercetare icircn cadrul EPSRC( Engineering
and Physical Science Research Council) denumit bdquoMetaflex- materiale pe
straturi optice transparente flexibilerdquo avacircnd ca scop fabricarea
metamaterialelor icircn membrane foarte subţiri şi flexibile După cum au
explicat oamenii de ştiinţă icircntr-un articol publicat icircn New Journal of
Physics incredibila elasticitate a materialului permite imaginarea unor
aplicaţii SF precum hainele icircn măsura să-l facă pe cel care le poartă
invizibil Găsirea unei modalităţi de a ascunde obiecte de lumina vizibilă
este o veche idee fixă de-a oamenilor de ştiinţă Primele succese icircn acest
sens au fost reprezentate de crearea unor materiale cu caracteristici electrice
şi magnetice speciale Aceste metamateriale care au proprietăţile datorită
structurii geometrice a atomilor sunt icircn măsură să facă să treacă o radiaţie
electromagnetică icircn jurul unui obiect Astfel obiectul devine invizibil
deoarece eludează incidenţa şi reflexia radiaţiei Pacircnă astăzi cercetătorii au
reuşit să creeze materiale invizibile la microunde şi raze infraroşii dar nu şi
la lumina vizibilă Dificultatea de a face un obiect transparent la radiaţia
luminoasă stă icircn faptul că trebuie lucrat pe geometrii infinit de mici
capabile să interacţioneze cu lumina care are o lungime de undă de ordinul
a doar cacircteva sute de nanometri Odată depaşită această dificultate
cercetătorii s-au văzut nevoiţi să icircnfrunte o alta proiectarea unui meta-
material care sa nu fie rigid ci flexibil astfel icircncacirct să poată fi utilizat pentru
fabricarea obiectelor elastice Echipa lui Di Falco a reuşit să depăşească şi
acest ultim obstacol obţinacircnd un pătrăţel de cacircţiva centimetri pătraţi şi o
grosime de 4 micrometri care face obiectele transparente la lumina
portocalie Mai rămacircne de văzut dacă aceste caracteristici ale materialului se
modifică atunci cacircnd este icircndoit sau rămacircn neschimbate icircn primul caz
invenţia va deschide calea realizării unei noi clase de lentile icircn al doilea
punerii la punct a unei adevărate pelerine a invizibilităţii Flexibilitatea
23
metaflexului permite proiectarea şi fabricarea unui sistem de camuflaj
deoarece materialul se poate adapta mediului icircnconjurător
Icircn cadrul studiului lor un grup de cercetători germani si englezi
coordonaţi de Tolga Ergin şi Nicolas Stenger de la Institutul de Tehnologie
din Karlsruhe au utilizat mantaua tridimensională pentru a face invizibilă o
protuberanţă de pe o suprafaţă de aur Mantaua este compusă din lentile
speciale asamblate icircntr-o structură polimerică lentile a căror caracteristică
este aceea de a se lega parţial de undele luminoase astfel icircncacirct să icircmpiedice
lumina să se difuzeze Toate structurile de acest gen realizate pacircnă icircn
prezent sunt bidimensionale dar ulterior a demonstrat că poate funcţiona şi
icircn 3D a precizat Ergin Aşa-numitele materiale ale invizibilităţii sunt
nanomateriale cu dimensiuni de ordinul milionimilor de metru Sunt
capabile sa devieze undele luminoase orientacircndu-le icircn jurul unui obiect
pacircnă cacircnd icircl icircnfăşoară ca o găoace aceasta comportacircndu-se de fapt ca o
manta a invizibilităţii
Obiectele pot fi făcute să pară invizibile lungimilor mari de undă
precum cele utilizate de radare dar nu şi acelora mai mici caracteristice
luminii Oamenii de ştiinţă speră să creeze materiale capabile să forţeze
circularea pe lacircngă un obiect a luminii astfel icircncacirct să icircl mascheze icircn faţa
ochiului uman şi să icircl facă practic invizibil Suprafeţele vor putea fi astfel
determinate să manipuleze toate formele de radiaţie cum ar fi lumina
microundele sau radiaţia
terahertziană conducacircnd la potenţiale
aplicaţii icircn medicină securitate şi
comunicaţii Echipele de cercetare
24
sunt coordonate de profesorul Sir John Pendry o autoritate de talie
mondiala icircn fizică de la ICL care a propus pentru prima oară icircn anul 2006
şi de către profesorul Ştefan Maier un vacircrf de lance icircn domeniul
plasmonicii sau tehnologiei undelor electromagnetice
Fig21 Exemplu de camuflaj vizibil Bombardier Stealth (SUA) ndash negru
(absorbant) icircn microunde şi vizibil
6 Bibliografie
Metaflex-mirajul invizibilităţii Revista Evrika nr12 decembrie 2010
George Nemeş Materiale cu indice de refracţie negativ (metamateriale)
Principii fizice si perspective 2005
G V Eleftheriades K G Balmain Negative-Refraction Metamaterials
Fundamental Principles and Applications Wiley Canada 2005
25
C Caloz T Itoh Electromagnetic Metamaterials Transmission Line
Theory and Microwave Applications Wiley Hoboken NJ 2006
Metaflex-primul material cu adevărat invizibil wwwdescoperăro
N Garcia and M Nieto-Vesperinas Phys Rev Lett 88 207403 (2002)
Sergiu Langa şi Ion Tighineanu UNIVERSITATEA TEHNICĂ A
MOLDOVEI FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE vol 1 nr 4 2000
httpwwwstandrewsacuk~ulfinvisibilityhtml
26
- Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de domeniul science fiction a declarat profesorul Milton
- Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991 de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
- Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a acestuia
-
3 Refracţia negativă
Refracţia negativă este un fenomen anormal icircn electromagnetism
pentru care raza refractată este de aceeaşi parte ca şi raza incidentă (vezi
figura alăturată) unde icircn cazul a) refracţia este icircntr-un material obişnuit ( n
gt 1) şi icircn cazul b) refracţia este neobişnuită icircn material cu indicele de
refracţie negativ (n lt 0) Deoarece unghiul de incidenţă i ia valori intre 0 si
2π respectiv sin i va fi mai mare ca
zero De aici rezultă că semnul lui sin
r va coincide cu semnul indicelui de
refracţie al materialului n
Fig7
Astfel dacă n gt 1 unghiul de refracţie va fi unul pozitiv (Fig 7a) şi mai mic
ca unghiul de incidenţă Adică raza se va propaga intr-o direcţie situată icircntre
perpendiculara pe suprafaţa materialului şi direcţia razei iniţiale Pe de altă
parte icircn cazul indicelui de refracţie negativ n lt 0 unghiul de refracţie va fi
de asemenea negativ ( Fig7b) Deci raza refractată se va situa de partea
stacircngă a normalei la suprafaţa materialului O astfel de refracţie ldquonegativărdquo
este total neobişnuită pentru materialele icircntacirclnite icircn natură
Printre consecinţele imediate ale refracţiei negative putem enumera
următoarele
1 Din punctul de vedere al opticii ondulatorii un material cu indicele de
refracţie negativ va modifica unda de lumină icircntr-un aşa mod icircncacirct unda va
produce vibraţii icircntr-o direcţie iar energia undei se va propaga icircn sens opus
9
2 Efectul Doppler va fi inversat adică frecvenţa unei surse de lumină care
se apropie de observator nu se va mări (deplasarea spre violet) cum este
firesc ci se va micşora (deplasarea spre roşu)
3 Efectul Cerenkov va fi de asemenea inversat Deci lumina generată
datorită faptului că mediul respectiv este traversat de o particulă icircncărcată va
fi emisă icircn spatele particulei şi nu icircn faţa ei
4 După cum a arătat Veselago icircn lucrările sale o simplă pană plan-paralelă
va funcţiona ca o lentilă creacircnd o imagine a obiectului icircn interiorul penei şi
alta de partea cealaltă a ei (Fig8) Această
proprietate ar simplifica considerabil
fabricarea lentilelor deoarece nu ar mai fi
necesar de a se prelucra lentila pentru a fi
convexă sau concavă după caz O astfel de
lentilă ar fi mai puţin capricioasă decacirct
lentilele obişnuite din simplul motiv că
obiectul ar putea fi situat icircn orice poziţie faţă
de lentilă şi nu numai pe axa ei cum e cazul
lentilelor obişnuite
5 O altă consecinţă a indicelui de refracţie negativ pe care se bazează ideea
lui J Pendry cu privire la lentilele perfecte este că undele evanescente ale
unui corp ar putea fi amplificate de o lentilă cu indicele de refracţie negativ
Undele evanescente ale unui corp au o lungime de undă foarte mică şi de
obicei nu părăsesc suprafaţa corpurilor Datorită lungimii de undă mici ele
conţin informaţia cea mai detaliată despre corp
6 Se ştie că atunci cacircnd privim intr-un vas cu apă adacircncimea acestui vas
pare a fi mult mai mică decacirct este icircn realitate
Acest efect se datorează
faptului că indicele de
refracţie al apei este pozitiv
10
Fig8pană plan-paralelă va funcţiona ca o lentilă creacircnd o imagine a obiectului icircn interiorul penei şi alta de partea cealaltă a ei
Admiţacircnd icircnsă că apa ar avea un indice de refracţie negativ adacircncimea
vasului cu apă nu ni s-ar mai părea a fi prea mică ci din contra vasul ar
părea mult mai adacircnc decacirct este icircn realitate iar un creion icircn paharul cu apă
se va vedea ca icircn fotografia alăturată stacircnga ( Fig9)
7 Comportarea lentilelor la lumină este inversă decacirct in cazul obişnuit
(a) Lentila convexă efect divergent
(b) Lentila concavă efect convergent
Notă Similar se icircntacircmplă icircn microunde şi icircn domeniul X pentru materialele
transparente cu 0 lt n lt 1 (nu au n lt 0)
8 Imaginea obiectelor printr-un material cu indice de refracţie negativ va fi
situată ca icircn Fig10 de mai jos unde se observă
bull imaginea peştelui situat icircn apă mai sus decacirct icircn realitate dar icircn interiorul
apei pentru indice de refracţie pozitiv- refracţie pozitivă
bull imaginea peştelui situat icircn apă mai sus decacirct icircn realitate dar icircn exteriorul
apei pentru indice de refracţie negativ- refracţie negativă
Fig10
11
4 Metamateriale
Materialele cu indicele de refracţie negativ se mai numesc şi
ldquomateriale de stacircngardquo (icircn engleză ldquoleft-handed materialsrdquo (LHM)) Icircn
materialele obişnuite adică icircn cele cu n gt 1 poziţia relativă a vectorilor
cacircmpului magnetic şi electric al unei unde se poate afla foarte uşor folosind
aşa-numita ldquoregulă a macircinii drepterdquo Se ştie că unda electromagnetică are
reprezentarea prin cei doi vectori E ndash intensitatea cacircmpului electric şi B-
inducţia cacircmpului magnetic vectori perpendiculari unul pe altul şi pe
direcţia de propagare a undei marcată prin vectorul k (Fig11)
Fig11
Pentru materialele cu indicele de refracţie negativ această regulă nu
mai este valabilă fiind necesar să se folosească ldquoregula macircinii stacircngirdquo De
aici şi provine denumirea de materiale ldquode stacircngardquo Ele mai sunt numite şi
materiale cu undă inversată (ldquobackward wave materialsrdquo (BWM) aceasta
fiind o aluzie la faptul că energia undei se propagă icircn sens opus faţă de
sensul de propagare al undei Icircnsă de cele mai multe ori ele sunt numite
materiale cu indice negativ (ldquonegative index materialsrdquo (NIM)) sau
materiale cu indice de refracţie negativ (ldquonegative refractive indexrdquo (NRI))
Este interesant faptul că materiale cu valori negative ale unuia din cei doi
parametri (ε sau μ) se icircntacirclnesc şi icircn natură De exemplu icircn unele metale
12
cum ar fi argintul sau semiconductori la anumite frecvenţe şi condiţii
exterioare ε ia valori negative Un alt exemplu icircl constituie aşa-numită
plasmă neutră fără coliziuni (puternic rarefiată) care nu este prea comună icircn
viaţa de toate zilele O astfel de plasmă are permitivitatea negativă la
frecvenţe mai mici decacirct aşa numita ldquofrecvenţă de plasmărdquo De asemenea
există o serie de materiale feromagnetice şi antiferomagnetice ale căror
permeabilităţii magnetice μ au valori negative
Icircn 1996 Pendry a anunţat că a obţinut un material artificial care fiind
expus acţiunii undelor electromagnetice are un răspuns asemănător cu cel al
plasmei neutre fără coliziuni deci are permitivitatea electrică ε negativă
Materialul raportat de Pendry reprezintă un masiv de conductori plasaţi
paralel la anumite distanţe unul de altul Cacircţiva ani mai tacircrziu Pendry a
anunţat fabricarea unui alt tip de material
artificial ndash aşa-numitul rezonator cu inele
deschise (split-ring rezonator (SRR) a
cărui permeabilitate magnetică μ icircntr-un
anumit domeniu de frecvenţe are valoare
negativă De aici şi pacircnă la realizarea ideii
lui Veselago nu mai rămăsese mult
Combinarea celor două materiale propuse
de Pendry ar forma un material cu valori
negative aticirct pentru permitivitatea electrică
ε cacirct şi pentru permeabilitatea magnetică μ Figura alăturată ne dă o
imagine cum ar putea arăta un astfel de material ( Fig11)
13
Fig12 Metamaterialul compus din inele şi fire metalice care are indice de refracţie negativ material cu valori negative aticirct pentru permitivitatea electrică ε cacirct şi pentru permeabilitatea magnetică μ
Măsurările electromagnetice ale materialelor propuse de Pendry au
fost realizate de D Smith şi echipa sa de la Universitatea din California
SUA Icircn cazul primului material (cu permitivitatea ε negativă) s-a observat
că există un anumit interval de frecvenţe icircn care toate microundele sunt
reflectate Folosind o noţiune din domeniul cristalelor fotonice putem spune
că acest material are o bandă interzisă pentru un anumit interval de
frecvenţe Este surprinzător faptul că dacă se combină acest material cu
materialul al doilea propus de Pendry undele din acelaşi interval nu mai
sunt reflectate ci transmise de material După un şir de alte experimente
Smith et al au ajuns la concluzia că metamaterialul compus din cele două
materiale propuse de Pendry icircndeplinesc condiţiile formulate de Veselago
pentru ca un material să aibă indicele de refracţie negativ Smith spune că
refracţia negativă observată de ei nu este mică ci din contra poate ajunge
chiar pacircnă la 80deg faţă de normala pe suprafaţa de incidenţă Imediat după
publicarea rezultatelor obţinute de Smith şi colaboratorii săi un alt grup de
cercetători de această dată de la Toronto Canada a anunţat că a reuşit
fabricarea unui material cu proprietăţi asemănătoare dar care are o structură
mult mai simplă decacirct cel investigat de echipa lui Smith Mai mult ca atacirct
Shalaev de la Universitatea din Purdue SUA au propus o structură care ar
permite fabricarea peliculelor subţiri cu indicele de refracţie negativ iar o
echipă din Elveţia a anunţat că este pe cale de a fabrica o structură
tridimensională cu indicele de refracţie negativ
Icircn pofida faptului că au fost publicate multe articole care pretind că a
fost observată experimental refracţia negativă icircn diferite materiale icircn lume
există cercetători care continuă să creadă că aşa ceva este contrar legilor
naturii şi că toate măsurătorile efectuate pacircnă acum nu sunt decicirct nişte
bdquoartefacterdquo experimentale W Kohn de la Universitatea din California
14
SUA spune ldquoMaterialele cu indice de refracţie negativ reprezintă o idee
genială icircnsă nu aş fi surprins dacă nu s-ar găsi multe aplicaţii ale acestor
materialerdquo Este suficient să ne aducem aminte că imediat după inventarea
laserului comunitatea ştiinţifică a fost surprinsă că s-a lucrat atacirct de mult
pentru a-l obţine iar aplicaţiile momentane ale laserului erau atacirct de
limitate Astăzi aplicaţiile laserului sunt atacirct de diverse şi multiple icircncacirct
este greu să ţi le imaginezi Să sperăm că istoria se va repeta şi icircn cazul
materialelor cu indicele de refracţie negativ
Pentru ca indicele de refracţie n să fie o mărime care să aibă
semnificaţie fizică (să existe) este nevoie de material omogen sau cvasi-
omogen (scala spaţială aneomogenităţilor periodice p să fie p ltlt l sau p lt
l4 ) Exemple de materiale omogene pentru lumina vizibilă (500 nm) sunt
gaze lichide solide transparente Exemple de neomogenităţi neglijabile
pentru lumina vizibilă sunt atomi molecule unde diametre atomice sunt
001 nm ndash 01 nm iar dimensiunile legăturilor atomice sunt 01 nm ndash 02
nm (legătura C-C 0154 nm hexagon benzen 0280 nm) diametrul
moleculei de ulei asymp 20 nm - 25 nm De comparat cu lungimea de undă icircn
vizibil λ asymp 500 nm
Exemple de structuri periodice Pendry
15
Fig13
(a) Tije metalice (ε lt 0 pt E II z) (b) Inele icircntrerupte (micro lt 0 pt H II y)
Icircn ambele cazuri p ltlt l
Primele experimente au fost realizate cu metamaterial cu n lt 0 icircn
microunde (J B Pendry D R Smith Phys Today June 2004)
(a) Structura rezonantă inele icircntrerupte şi tije
metalice (sacircrme vizibile icircn spatele suporţilor
verticali)
(b) Banda spectrală pentru εr lt 0 şi micror lt 0
(c) Spectrul de putere transmisă numai tije
metalice verde numai inele icircntrerupte
albastru ambele roşu transmisie =
propagare
Fig14
Icircn topul descoperirilor pentru Nobel 2010 a fost şi cel oferit pentru
predicţia descoperirea şi dezvoltarea metamaterialelor negative - (Victor
Veselago John Pendry David Smith Xiang Zhang Sheldon Schultz Ulf
Leonhardt) Metamateriale sunt compuse
din componente mici cum ar fi inele mici si
tije Ele produc efecte optice noi
Refracţia negativă in microunde (J B
Pendry D R Smith Phys Today June
2004)
16
(a) Prismă cu n lt 0 simulare
(b) Prismă cu n gt 0 (teflon) simulare
(c) Experiment prismă metamaterial n lt 0
(d) Experiment prismă teflon
Fig15
Progrese icircn microunde prin realizarea unei
prisme din metamaterial pentru microunde
(Costas M Soukoulis este un distins profesor
de fizică al Iowa State University şi senior
fizician la Ames Laboratory Cartea sa
include Photonic Band Gap Materials and
Photonic Crystals and Light Localization in the Twenty-First Century
2006)
Acest cristal fotonic este o Lentilă Veselago-Pendry pentru
microunde cu indice de refactie n = -1 rezoluţie spaţială lt l (Fig16)
Sir John Brian Pendry este un fizician englez cunoscut pentru studiile
sale privind indicele de refracţie El a creat ldquopelerina invizibilităţiirdquo
(Invisibility Cloak) El este acum la catedra de fizică teoretică a stării
solide al Imperial College London Icircn 2006 primeşte Medalia Regală - The
Royal Medal of the Royal Society of London
Fig16
Astăzi s-au realizat metamateriale pentru
infraroşu şi vizibil domeniul optic fiind icircn
plină cercetare pentru realizarea invizibilităţii
17
Metamateriale sunt
bull materiale artificiale caracterizate de proprietăţi (electromagnetice)
care provin din structura acestora şi nu direct din proprietăţile
materialelor care le compun
bull Materiale prezintă anumite caracteristici structurale comparabile ca
dimensiune cu lungimea de undă a radiaţiei electromagnetice cu care
interacţionează
bull metamaterialele ldquostacircngirdquo (ldquoleft handed metamaterialrdquo ndash LHM) - nu
verifică regula măinii drepte astfel icircncacirct viteza de fază şi cea de grup
au sensuri diferite - permitivitatea electrică şi permeabilitatea
magnetică sunt negative
bull Materiale icircn care are loc refracţia negativă un fenomen anormal icircn
electromagnetism pentru care raza refractată este de aceeaşi parte ca
şi raza incidentă
bull Icircn realitate foarte străvechi pentru că le putem considera spre
exemplu sticlele colorate utilizate icircn vitraliile catedralelor
bull şi cristalele fotonice ( Fig17)
Fig17 piatra de opal a brăţării este un cristal fotonic
Ce este cristalul fotonic
Răspuns Cristalul fotonic este un mediu
dielectric periodic 1D 2D sau 3D avacircnd
periodicitatea de ordinul lungimii de undă
18
a undei electromagnetice realizat prin tehnologii de microprelucrare
Principala sa proprietate este structura de benzi fotonice Pentru o undă
monocromatica care se propagă icircntr-un cristal fotonic ideal va exista o
bandă de frecvenţă interzisă (bandgap) indiferent de direcţia undei şi
indiferent de starea de polarizare a undei Lord Rayleigh icircn 1887 a fost
primul care a arătat că se poate obţine o bandă interzisă sau band gap iar
temenul de laquo cristal fotonic raquo nu a fost introdus decacirct icircn 1987 odată cu
apariţia a două articole majore de Eli Yablonovitch şi Sajeev John Icircn
natură pe lacircngă cristalul de opal care are micro bile de siliciu repartizate
aproape uniform cristale fotonice se icircntacirclnesc şi icircn lumea animală la o
specie de vierme marin Afrodita şi la aripile fluturelui Cyanophrys remus ce
posedă o nano- arhitectură complexă la care culorile albastru metalic şi
verde sunt atribuite structurii de cristale fotonice Ele sunt compuse din
chitină şi aer iar aranjamentul formează o structură dielectrică periodică
Una dintre barierele existente icircn telecomunicaţii la ora actuală este
reprezentată de nodurile de procesare care conectează reţelele de fibră
optică noduri necesare pentru routarea informaţiilor La ora actuală nu
există o metoda ieftină şi eficientă ca acest proces sa fie unul icircn totalitate
optic transmisia optică trebuind să fie convertită icircn semnale electrice pentru
a fi procesată de echipamentele de routare după care la loc icircn semnale
optice pentru transmisia mai departe Acest lucru reprezintă o gacirctuire a
fluxului de date deoarece fibra optică poate transmite mult mai multă
informatie (şi mai rapid) decat firele de cupru Aceasta pentru că icircn fibra
optică transmisia este realizată pe lungimi
de undă diferite un fel de separare pe
culori De aceea ideea este de a realiza nişte
cristale fotonice (cu un exemplu de structură
19
ilustrată icircn imagine) care să separe aceste culori diferite de lumina albă şi să
le routeze icircntr-un mod eficient ( Fig18)
Fig18
5 Invizibilitatea
Pacircnă nu demult invizibilitatea ţinea de domeniul fantasticului Se
pare icircnsă că omul invizibil al lui Wells dar şi navele invizibile ale
klingonienilor din Star Trek sunt pe cale să coboare din literatura şi filmele
science-fiction icircn lumea reală Pelerina invizibilităţii este tot mai aproape
de realitate Cercetătorii au realizat două noi tipuri de materiale care reflectă
lumina icircn mod diferit ceea ce aduce mai aproape de realitate dispozitivul
supranumit pelerina invizibilităţii Unul dintre materiale foloseşte o plasă
din straturi metalice care reflectă icircn sens invers direcţia luminii icircn timp ce
20
al doilea foloseşte fire minuscule de argint Componenţa ambelor materiale
poate fi analizată la scară nanometrică Ambele creaţii ale oamenilor de
ştiinţă sunt metamateriale structuri realizate artificial care au proprietăţi ce
nu se icircntacirclnesc icircn natură cum ar fi indicele de refracţie negativ Două echipe
au lucrat separat la elaborarea materialelor
sub conducerea lui Xiang Zhang de la Centrul
de inginerie şi ştiinţă nanometrică din cadrul
Universităţii Berkley California Fiecare
dintre noile materiale are proprietăţi de
reflectare a luminii icircn valuri de lungime
limitată astfel icircncacirct nimeni nu le poate utiliza
pentru a ascunde clădiri de sateliţi a declarat
Jason Valentine membru al uneia dintre echipe De fapt nu ascundem
nimic Nu cred că trebuie să fim icircngrijoraţi de persoane invizibile care să
umble icircn jurul nostru icircn viitorul apropiat Să fiu cinstit suntem abia la
icircnceput icircn ceea ce priveşte cercetările privind invizibilitatea a spus
Valentine Echipa lui Valentine a realizat un material care influenţează
lumina din apropierea spectrului vizibil icircntr-o regiune folosită icircn cadrul
fibrelor optice Icircn materialele naturale indicele de refracţie care măsoară
modul icircn care lumina acţionează icircntr-un mediu este pozitiv a spus el
Atunci cacircnd vezi un peşte icircn apă acesta va apărea icircn faţa poziţiei icircn care se
află de fapt Dacă pui un băţ icircn apă acesta pare să se icircndoaie a precizat el
menţionacircnd că aceste iluzii sunt provocate de modul icircn care lumina se
refractă atunci cacircnd se mişcă icircntre apă şi aer
Icircnconjoară obiectul ce se doreşte invizibil cu un metamaterial (Fig19)care
să deformeze traseul razelor de lumină prin metamaterial ocolind obiectul
şi care să le recombine după obiect aşa cum erau icircnainte de obiect astfel
obiectul nu este vizibil
Fig19
21
Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de
pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns
profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific
cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991
de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru
Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors
niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru
Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea
Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul
timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al
bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici
au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale
cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că
obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci
cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a
spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi
mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu
are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric
vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un
obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a
acestuia
Foarte flexibil dar mai ales ldquoinvizibilrdquo Metaflex face parte din
categoria metamaterialelor capabile sa devieze traiectoria radiaţiilor făcacircnd
invizibile obiectele Metaflex a fost realizat de cercetătorul italian Andrea
22
Di Falco şi echipa lui de la Universitatea St Andrews din Scoţia Metaflex
constituie subiectul proiectului de cercetare icircn cadrul EPSRC( Engineering
and Physical Science Research Council) denumit bdquoMetaflex- materiale pe
straturi optice transparente flexibilerdquo avacircnd ca scop fabricarea
metamaterialelor icircn membrane foarte subţiri şi flexibile După cum au
explicat oamenii de ştiinţă icircntr-un articol publicat icircn New Journal of
Physics incredibila elasticitate a materialului permite imaginarea unor
aplicaţii SF precum hainele icircn măsura să-l facă pe cel care le poartă
invizibil Găsirea unei modalităţi de a ascunde obiecte de lumina vizibilă
este o veche idee fixă de-a oamenilor de ştiinţă Primele succese icircn acest
sens au fost reprezentate de crearea unor materiale cu caracteristici electrice
şi magnetice speciale Aceste metamateriale care au proprietăţile datorită
structurii geometrice a atomilor sunt icircn măsură să facă să treacă o radiaţie
electromagnetică icircn jurul unui obiect Astfel obiectul devine invizibil
deoarece eludează incidenţa şi reflexia radiaţiei Pacircnă astăzi cercetătorii au
reuşit să creeze materiale invizibile la microunde şi raze infraroşii dar nu şi
la lumina vizibilă Dificultatea de a face un obiect transparent la radiaţia
luminoasă stă icircn faptul că trebuie lucrat pe geometrii infinit de mici
capabile să interacţioneze cu lumina care are o lungime de undă de ordinul
a doar cacircteva sute de nanometri Odată depaşită această dificultate
cercetătorii s-au văzut nevoiţi să icircnfrunte o alta proiectarea unui meta-
material care sa nu fie rigid ci flexibil astfel icircncacirct să poată fi utilizat pentru
fabricarea obiectelor elastice Echipa lui Di Falco a reuşit să depăşească şi
acest ultim obstacol obţinacircnd un pătrăţel de cacircţiva centimetri pătraţi şi o
grosime de 4 micrometri care face obiectele transparente la lumina
portocalie Mai rămacircne de văzut dacă aceste caracteristici ale materialului se
modifică atunci cacircnd este icircndoit sau rămacircn neschimbate icircn primul caz
invenţia va deschide calea realizării unei noi clase de lentile icircn al doilea
punerii la punct a unei adevărate pelerine a invizibilităţii Flexibilitatea
23
metaflexului permite proiectarea şi fabricarea unui sistem de camuflaj
deoarece materialul se poate adapta mediului icircnconjurător
Icircn cadrul studiului lor un grup de cercetători germani si englezi
coordonaţi de Tolga Ergin şi Nicolas Stenger de la Institutul de Tehnologie
din Karlsruhe au utilizat mantaua tridimensională pentru a face invizibilă o
protuberanţă de pe o suprafaţă de aur Mantaua este compusă din lentile
speciale asamblate icircntr-o structură polimerică lentile a căror caracteristică
este aceea de a se lega parţial de undele luminoase astfel icircncacirct să icircmpiedice
lumina să se difuzeze Toate structurile de acest gen realizate pacircnă icircn
prezent sunt bidimensionale dar ulterior a demonstrat că poate funcţiona şi
icircn 3D a precizat Ergin Aşa-numitele materiale ale invizibilităţii sunt
nanomateriale cu dimensiuni de ordinul milionimilor de metru Sunt
capabile sa devieze undele luminoase orientacircndu-le icircn jurul unui obiect
pacircnă cacircnd icircl icircnfăşoară ca o găoace aceasta comportacircndu-se de fapt ca o
manta a invizibilităţii
Obiectele pot fi făcute să pară invizibile lungimilor mari de undă
precum cele utilizate de radare dar nu şi acelora mai mici caracteristice
luminii Oamenii de ştiinţă speră să creeze materiale capabile să forţeze
circularea pe lacircngă un obiect a luminii astfel icircncacirct să icircl mascheze icircn faţa
ochiului uman şi să icircl facă practic invizibil Suprafeţele vor putea fi astfel
determinate să manipuleze toate formele de radiaţie cum ar fi lumina
microundele sau radiaţia
terahertziană conducacircnd la potenţiale
aplicaţii icircn medicină securitate şi
comunicaţii Echipele de cercetare
24
sunt coordonate de profesorul Sir John Pendry o autoritate de talie
mondiala icircn fizică de la ICL care a propus pentru prima oară icircn anul 2006
şi de către profesorul Ştefan Maier un vacircrf de lance icircn domeniul
plasmonicii sau tehnologiei undelor electromagnetice
Fig21 Exemplu de camuflaj vizibil Bombardier Stealth (SUA) ndash negru
(absorbant) icircn microunde şi vizibil
6 Bibliografie
Metaflex-mirajul invizibilităţii Revista Evrika nr12 decembrie 2010
George Nemeş Materiale cu indice de refracţie negativ (metamateriale)
Principii fizice si perspective 2005
G V Eleftheriades K G Balmain Negative-Refraction Metamaterials
Fundamental Principles and Applications Wiley Canada 2005
25
C Caloz T Itoh Electromagnetic Metamaterials Transmission Line
Theory and Microwave Applications Wiley Hoboken NJ 2006
Metaflex-primul material cu adevărat invizibil wwwdescoperăro
N Garcia and M Nieto-Vesperinas Phys Rev Lett 88 207403 (2002)
Sergiu Langa şi Ion Tighineanu UNIVERSITATEA TEHNICĂ A
MOLDOVEI FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE vol 1 nr 4 2000
httpwwwstandrewsacuk~ulfinvisibilityhtml
26
- Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de domeniul science fiction a declarat profesorul Milton
- Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991 de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
- Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a acestuia
-
2 Efectul Doppler va fi inversat adică frecvenţa unei surse de lumină care
se apropie de observator nu se va mări (deplasarea spre violet) cum este
firesc ci se va micşora (deplasarea spre roşu)
3 Efectul Cerenkov va fi de asemenea inversat Deci lumina generată
datorită faptului că mediul respectiv este traversat de o particulă icircncărcată va
fi emisă icircn spatele particulei şi nu icircn faţa ei
4 După cum a arătat Veselago icircn lucrările sale o simplă pană plan-paralelă
va funcţiona ca o lentilă creacircnd o imagine a obiectului icircn interiorul penei şi
alta de partea cealaltă a ei (Fig8) Această
proprietate ar simplifica considerabil
fabricarea lentilelor deoarece nu ar mai fi
necesar de a se prelucra lentila pentru a fi
convexă sau concavă după caz O astfel de
lentilă ar fi mai puţin capricioasă decacirct
lentilele obişnuite din simplul motiv că
obiectul ar putea fi situat icircn orice poziţie faţă
de lentilă şi nu numai pe axa ei cum e cazul
lentilelor obişnuite
5 O altă consecinţă a indicelui de refracţie negativ pe care se bazează ideea
lui J Pendry cu privire la lentilele perfecte este că undele evanescente ale
unui corp ar putea fi amplificate de o lentilă cu indicele de refracţie negativ
Undele evanescente ale unui corp au o lungime de undă foarte mică şi de
obicei nu părăsesc suprafaţa corpurilor Datorită lungimii de undă mici ele
conţin informaţia cea mai detaliată despre corp
6 Se ştie că atunci cacircnd privim intr-un vas cu apă adacircncimea acestui vas
pare a fi mult mai mică decacirct este icircn realitate
Acest efect se datorează
faptului că indicele de
refracţie al apei este pozitiv
10
Fig8pană plan-paralelă va funcţiona ca o lentilă creacircnd o imagine a obiectului icircn interiorul penei şi alta de partea cealaltă a ei
Admiţacircnd icircnsă că apa ar avea un indice de refracţie negativ adacircncimea
vasului cu apă nu ni s-ar mai părea a fi prea mică ci din contra vasul ar
părea mult mai adacircnc decacirct este icircn realitate iar un creion icircn paharul cu apă
se va vedea ca icircn fotografia alăturată stacircnga ( Fig9)
7 Comportarea lentilelor la lumină este inversă decacirct in cazul obişnuit
(a) Lentila convexă efect divergent
(b) Lentila concavă efect convergent
Notă Similar se icircntacircmplă icircn microunde şi icircn domeniul X pentru materialele
transparente cu 0 lt n lt 1 (nu au n lt 0)
8 Imaginea obiectelor printr-un material cu indice de refracţie negativ va fi
situată ca icircn Fig10 de mai jos unde se observă
bull imaginea peştelui situat icircn apă mai sus decacirct icircn realitate dar icircn interiorul
apei pentru indice de refracţie pozitiv- refracţie pozitivă
bull imaginea peştelui situat icircn apă mai sus decacirct icircn realitate dar icircn exteriorul
apei pentru indice de refracţie negativ- refracţie negativă
Fig10
11
4 Metamateriale
Materialele cu indicele de refracţie negativ se mai numesc şi
ldquomateriale de stacircngardquo (icircn engleză ldquoleft-handed materialsrdquo (LHM)) Icircn
materialele obişnuite adică icircn cele cu n gt 1 poziţia relativă a vectorilor
cacircmpului magnetic şi electric al unei unde se poate afla foarte uşor folosind
aşa-numita ldquoregulă a macircinii drepterdquo Se ştie că unda electromagnetică are
reprezentarea prin cei doi vectori E ndash intensitatea cacircmpului electric şi B-
inducţia cacircmpului magnetic vectori perpendiculari unul pe altul şi pe
direcţia de propagare a undei marcată prin vectorul k (Fig11)
Fig11
Pentru materialele cu indicele de refracţie negativ această regulă nu
mai este valabilă fiind necesar să se folosească ldquoregula macircinii stacircngirdquo De
aici şi provine denumirea de materiale ldquode stacircngardquo Ele mai sunt numite şi
materiale cu undă inversată (ldquobackward wave materialsrdquo (BWM) aceasta
fiind o aluzie la faptul că energia undei se propagă icircn sens opus faţă de
sensul de propagare al undei Icircnsă de cele mai multe ori ele sunt numite
materiale cu indice negativ (ldquonegative index materialsrdquo (NIM)) sau
materiale cu indice de refracţie negativ (ldquonegative refractive indexrdquo (NRI))
Este interesant faptul că materiale cu valori negative ale unuia din cei doi
parametri (ε sau μ) se icircntacirclnesc şi icircn natură De exemplu icircn unele metale
12
cum ar fi argintul sau semiconductori la anumite frecvenţe şi condiţii
exterioare ε ia valori negative Un alt exemplu icircl constituie aşa-numită
plasmă neutră fără coliziuni (puternic rarefiată) care nu este prea comună icircn
viaţa de toate zilele O astfel de plasmă are permitivitatea negativă la
frecvenţe mai mici decacirct aşa numita ldquofrecvenţă de plasmărdquo De asemenea
există o serie de materiale feromagnetice şi antiferomagnetice ale căror
permeabilităţii magnetice μ au valori negative
Icircn 1996 Pendry a anunţat că a obţinut un material artificial care fiind
expus acţiunii undelor electromagnetice are un răspuns asemănător cu cel al
plasmei neutre fără coliziuni deci are permitivitatea electrică ε negativă
Materialul raportat de Pendry reprezintă un masiv de conductori plasaţi
paralel la anumite distanţe unul de altul Cacircţiva ani mai tacircrziu Pendry a
anunţat fabricarea unui alt tip de material
artificial ndash aşa-numitul rezonator cu inele
deschise (split-ring rezonator (SRR) a
cărui permeabilitate magnetică μ icircntr-un
anumit domeniu de frecvenţe are valoare
negativă De aici şi pacircnă la realizarea ideii
lui Veselago nu mai rămăsese mult
Combinarea celor două materiale propuse
de Pendry ar forma un material cu valori
negative aticirct pentru permitivitatea electrică
ε cacirct şi pentru permeabilitatea magnetică μ Figura alăturată ne dă o
imagine cum ar putea arăta un astfel de material ( Fig11)
13
Fig12 Metamaterialul compus din inele şi fire metalice care are indice de refracţie negativ material cu valori negative aticirct pentru permitivitatea electrică ε cacirct şi pentru permeabilitatea magnetică μ
Măsurările electromagnetice ale materialelor propuse de Pendry au
fost realizate de D Smith şi echipa sa de la Universitatea din California
SUA Icircn cazul primului material (cu permitivitatea ε negativă) s-a observat
că există un anumit interval de frecvenţe icircn care toate microundele sunt
reflectate Folosind o noţiune din domeniul cristalelor fotonice putem spune
că acest material are o bandă interzisă pentru un anumit interval de
frecvenţe Este surprinzător faptul că dacă se combină acest material cu
materialul al doilea propus de Pendry undele din acelaşi interval nu mai
sunt reflectate ci transmise de material După un şir de alte experimente
Smith et al au ajuns la concluzia că metamaterialul compus din cele două
materiale propuse de Pendry icircndeplinesc condiţiile formulate de Veselago
pentru ca un material să aibă indicele de refracţie negativ Smith spune că
refracţia negativă observată de ei nu este mică ci din contra poate ajunge
chiar pacircnă la 80deg faţă de normala pe suprafaţa de incidenţă Imediat după
publicarea rezultatelor obţinute de Smith şi colaboratorii săi un alt grup de
cercetători de această dată de la Toronto Canada a anunţat că a reuşit
fabricarea unui material cu proprietăţi asemănătoare dar care are o structură
mult mai simplă decacirct cel investigat de echipa lui Smith Mai mult ca atacirct
Shalaev de la Universitatea din Purdue SUA au propus o structură care ar
permite fabricarea peliculelor subţiri cu indicele de refracţie negativ iar o
echipă din Elveţia a anunţat că este pe cale de a fabrica o structură
tridimensională cu indicele de refracţie negativ
Icircn pofida faptului că au fost publicate multe articole care pretind că a
fost observată experimental refracţia negativă icircn diferite materiale icircn lume
există cercetători care continuă să creadă că aşa ceva este contrar legilor
naturii şi că toate măsurătorile efectuate pacircnă acum nu sunt decicirct nişte
bdquoartefacterdquo experimentale W Kohn de la Universitatea din California
14
SUA spune ldquoMaterialele cu indice de refracţie negativ reprezintă o idee
genială icircnsă nu aş fi surprins dacă nu s-ar găsi multe aplicaţii ale acestor
materialerdquo Este suficient să ne aducem aminte că imediat după inventarea
laserului comunitatea ştiinţifică a fost surprinsă că s-a lucrat atacirct de mult
pentru a-l obţine iar aplicaţiile momentane ale laserului erau atacirct de
limitate Astăzi aplicaţiile laserului sunt atacirct de diverse şi multiple icircncacirct
este greu să ţi le imaginezi Să sperăm că istoria se va repeta şi icircn cazul
materialelor cu indicele de refracţie negativ
Pentru ca indicele de refracţie n să fie o mărime care să aibă
semnificaţie fizică (să existe) este nevoie de material omogen sau cvasi-
omogen (scala spaţială aneomogenităţilor periodice p să fie p ltlt l sau p lt
l4 ) Exemple de materiale omogene pentru lumina vizibilă (500 nm) sunt
gaze lichide solide transparente Exemple de neomogenităţi neglijabile
pentru lumina vizibilă sunt atomi molecule unde diametre atomice sunt
001 nm ndash 01 nm iar dimensiunile legăturilor atomice sunt 01 nm ndash 02
nm (legătura C-C 0154 nm hexagon benzen 0280 nm) diametrul
moleculei de ulei asymp 20 nm - 25 nm De comparat cu lungimea de undă icircn
vizibil λ asymp 500 nm
Exemple de structuri periodice Pendry
15
Fig13
(a) Tije metalice (ε lt 0 pt E II z) (b) Inele icircntrerupte (micro lt 0 pt H II y)
Icircn ambele cazuri p ltlt l
Primele experimente au fost realizate cu metamaterial cu n lt 0 icircn
microunde (J B Pendry D R Smith Phys Today June 2004)
(a) Structura rezonantă inele icircntrerupte şi tije
metalice (sacircrme vizibile icircn spatele suporţilor
verticali)
(b) Banda spectrală pentru εr lt 0 şi micror lt 0
(c) Spectrul de putere transmisă numai tije
metalice verde numai inele icircntrerupte
albastru ambele roşu transmisie =
propagare
Fig14
Icircn topul descoperirilor pentru Nobel 2010 a fost şi cel oferit pentru
predicţia descoperirea şi dezvoltarea metamaterialelor negative - (Victor
Veselago John Pendry David Smith Xiang Zhang Sheldon Schultz Ulf
Leonhardt) Metamateriale sunt compuse
din componente mici cum ar fi inele mici si
tije Ele produc efecte optice noi
Refracţia negativă in microunde (J B
Pendry D R Smith Phys Today June
2004)
16
(a) Prismă cu n lt 0 simulare
(b) Prismă cu n gt 0 (teflon) simulare
(c) Experiment prismă metamaterial n lt 0
(d) Experiment prismă teflon
Fig15
Progrese icircn microunde prin realizarea unei
prisme din metamaterial pentru microunde
(Costas M Soukoulis este un distins profesor
de fizică al Iowa State University şi senior
fizician la Ames Laboratory Cartea sa
include Photonic Band Gap Materials and
Photonic Crystals and Light Localization in the Twenty-First Century
2006)
Acest cristal fotonic este o Lentilă Veselago-Pendry pentru
microunde cu indice de refactie n = -1 rezoluţie spaţială lt l (Fig16)
Sir John Brian Pendry este un fizician englez cunoscut pentru studiile
sale privind indicele de refracţie El a creat ldquopelerina invizibilităţiirdquo
(Invisibility Cloak) El este acum la catedra de fizică teoretică a stării
solide al Imperial College London Icircn 2006 primeşte Medalia Regală - The
Royal Medal of the Royal Society of London
Fig16
Astăzi s-au realizat metamateriale pentru
infraroşu şi vizibil domeniul optic fiind icircn
plină cercetare pentru realizarea invizibilităţii
17
Metamateriale sunt
bull materiale artificiale caracterizate de proprietăţi (electromagnetice)
care provin din structura acestora şi nu direct din proprietăţile
materialelor care le compun
bull Materiale prezintă anumite caracteristici structurale comparabile ca
dimensiune cu lungimea de undă a radiaţiei electromagnetice cu care
interacţionează
bull metamaterialele ldquostacircngirdquo (ldquoleft handed metamaterialrdquo ndash LHM) - nu
verifică regula măinii drepte astfel icircncacirct viteza de fază şi cea de grup
au sensuri diferite - permitivitatea electrică şi permeabilitatea
magnetică sunt negative
bull Materiale icircn care are loc refracţia negativă un fenomen anormal icircn
electromagnetism pentru care raza refractată este de aceeaşi parte ca
şi raza incidentă
bull Icircn realitate foarte străvechi pentru că le putem considera spre
exemplu sticlele colorate utilizate icircn vitraliile catedralelor
bull şi cristalele fotonice ( Fig17)
Fig17 piatra de opal a brăţării este un cristal fotonic
Ce este cristalul fotonic
Răspuns Cristalul fotonic este un mediu
dielectric periodic 1D 2D sau 3D avacircnd
periodicitatea de ordinul lungimii de undă
18
a undei electromagnetice realizat prin tehnologii de microprelucrare
Principala sa proprietate este structura de benzi fotonice Pentru o undă
monocromatica care se propagă icircntr-un cristal fotonic ideal va exista o
bandă de frecvenţă interzisă (bandgap) indiferent de direcţia undei şi
indiferent de starea de polarizare a undei Lord Rayleigh icircn 1887 a fost
primul care a arătat că se poate obţine o bandă interzisă sau band gap iar
temenul de laquo cristal fotonic raquo nu a fost introdus decacirct icircn 1987 odată cu
apariţia a două articole majore de Eli Yablonovitch şi Sajeev John Icircn
natură pe lacircngă cristalul de opal care are micro bile de siliciu repartizate
aproape uniform cristale fotonice se icircntacirclnesc şi icircn lumea animală la o
specie de vierme marin Afrodita şi la aripile fluturelui Cyanophrys remus ce
posedă o nano- arhitectură complexă la care culorile albastru metalic şi
verde sunt atribuite structurii de cristale fotonice Ele sunt compuse din
chitină şi aer iar aranjamentul formează o structură dielectrică periodică
Una dintre barierele existente icircn telecomunicaţii la ora actuală este
reprezentată de nodurile de procesare care conectează reţelele de fibră
optică noduri necesare pentru routarea informaţiilor La ora actuală nu
există o metoda ieftină şi eficientă ca acest proces sa fie unul icircn totalitate
optic transmisia optică trebuind să fie convertită icircn semnale electrice pentru
a fi procesată de echipamentele de routare după care la loc icircn semnale
optice pentru transmisia mai departe Acest lucru reprezintă o gacirctuire a
fluxului de date deoarece fibra optică poate transmite mult mai multă
informatie (şi mai rapid) decat firele de cupru Aceasta pentru că icircn fibra
optică transmisia este realizată pe lungimi
de undă diferite un fel de separare pe
culori De aceea ideea este de a realiza nişte
cristale fotonice (cu un exemplu de structură
19
ilustrată icircn imagine) care să separe aceste culori diferite de lumina albă şi să
le routeze icircntr-un mod eficient ( Fig18)
Fig18
5 Invizibilitatea
Pacircnă nu demult invizibilitatea ţinea de domeniul fantasticului Se
pare icircnsă că omul invizibil al lui Wells dar şi navele invizibile ale
klingonienilor din Star Trek sunt pe cale să coboare din literatura şi filmele
science-fiction icircn lumea reală Pelerina invizibilităţii este tot mai aproape
de realitate Cercetătorii au realizat două noi tipuri de materiale care reflectă
lumina icircn mod diferit ceea ce aduce mai aproape de realitate dispozitivul
supranumit pelerina invizibilităţii Unul dintre materiale foloseşte o plasă
din straturi metalice care reflectă icircn sens invers direcţia luminii icircn timp ce
20
al doilea foloseşte fire minuscule de argint Componenţa ambelor materiale
poate fi analizată la scară nanometrică Ambele creaţii ale oamenilor de
ştiinţă sunt metamateriale structuri realizate artificial care au proprietăţi ce
nu se icircntacirclnesc icircn natură cum ar fi indicele de refracţie negativ Două echipe
au lucrat separat la elaborarea materialelor
sub conducerea lui Xiang Zhang de la Centrul
de inginerie şi ştiinţă nanometrică din cadrul
Universităţii Berkley California Fiecare
dintre noile materiale are proprietăţi de
reflectare a luminii icircn valuri de lungime
limitată astfel icircncacirct nimeni nu le poate utiliza
pentru a ascunde clădiri de sateliţi a declarat
Jason Valentine membru al uneia dintre echipe De fapt nu ascundem
nimic Nu cred că trebuie să fim icircngrijoraţi de persoane invizibile care să
umble icircn jurul nostru icircn viitorul apropiat Să fiu cinstit suntem abia la
icircnceput icircn ceea ce priveşte cercetările privind invizibilitatea a spus
Valentine Echipa lui Valentine a realizat un material care influenţează
lumina din apropierea spectrului vizibil icircntr-o regiune folosită icircn cadrul
fibrelor optice Icircn materialele naturale indicele de refracţie care măsoară
modul icircn care lumina acţionează icircntr-un mediu este pozitiv a spus el
Atunci cacircnd vezi un peşte icircn apă acesta va apărea icircn faţa poziţiei icircn care se
află de fapt Dacă pui un băţ icircn apă acesta pare să se icircndoaie a precizat el
menţionacircnd că aceste iluzii sunt provocate de modul icircn care lumina se
refractă atunci cacircnd se mişcă icircntre apă şi aer
Icircnconjoară obiectul ce se doreşte invizibil cu un metamaterial (Fig19)care
să deformeze traseul razelor de lumină prin metamaterial ocolind obiectul
şi care să le recombine după obiect aşa cum erau icircnainte de obiect astfel
obiectul nu este vizibil
Fig19
21
Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de
pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns
profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific
cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991
de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru
Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors
niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru
Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea
Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul
timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al
bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici
au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale
cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că
obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci
cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a
spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi
mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu
are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric
vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un
obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a
acestuia
Foarte flexibil dar mai ales ldquoinvizibilrdquo Metaflex face parte din
categoria metamaterialelor capabile sa devieze traiectoria radiaţiilor făcacircnd
invizibile obiectele Metaflex a fost realizat de cercetătorul italian Andrea
22
Di Falco şi echipa lui de la Universitatea St Andrews din Scoţia Metaflex
constituie subiectul proiectului de cercetare icircn cadrul EPSRC( Engineering
and Physical Science Research Council) denumit bdquoMetaflex- materiale pe
straturi optice transparente flexibilerdquo avacircnd ca scop fabricarea
metamaterialelor icircn membrane foarte subţiri şi flexibile După cum au
explicat oamenii de ştiinţă icircntr-un articol publicat icircn New Journal of
Physics incredibila elasticitate a materialului permite imaginarea unor
aplicaţii SF precum hainele icircn măsura să-l facă pe cel care le poartă
invizibil Găsirea unei modalităţi de a ascunde obiecte de lumina vizibilă
este o veche idee fixă de-a oamenilor de ştiinţă Primele succese icircn acest
sens au fost reprezentate de crearea unor materiale cu caracteristici electrice
şi magnetice speciale Aceste metamateriale care au proprietăţile datorită
structurii geometrice a atomilor sunt icircn măsură să facă să treacă o radiaţie
electromagnetică icircn jurul unui obiect Astfel obiectul devine invizibil
deoarece eludează incidenţa şi reflexia radiaţiei Pacircnă astăzi cercetătorii au
reuşit să creeze materiale invizibile la microunde şi raze infraroşii dar nu şi
la lumina vizibilă Dificultatea de a face un obiect transparent la radiaţia
luminoasă stă icircn faptul că trebuie lucrat pe geometrii infinit de mici
capabile să interacţioneze cu lumina care are o lungime de undă de ordinul
a doar cacircteva sute de nanometri Odată depaşită această dificultate
cercetătorii s-au văzut nevoiţi să icircnfrunte o alta proiectarea unui meta-
material care sa nu fie rigid ci flexibil astfel icircncacirct să poată fi utilizat pentru
fabricarea obiectelor elastice Echipa lui Di Falco a reuşit să depăşească şi
acest ultim obstacol obţinacircnd un pătrăţel de cacircţiva centimetri pătraţi şi o
grosime de 4 micrometri care face obiectele transparente la lumina
portocalie Mai rămacircne de văzut dacă aceste caracteristici ale materialului se
modifică atunci cacircnd este icircndoit sau rămacircn neschimbate icircn primul caz
invenţia va deschide calea realizării unei noi clase de lentile icircn al doilea
punerii la punct a unei adevărate pelerine a invizibilităţii Flexibilitatea
23
metaflexului permite proiectarea şi fabricarea unui sistem de camuflaj
deoarece materialul se poate adapta mediului icircnconjurător
Icircn cadrul studiului lor un grup de cercetători germani si englezi
coordonaţi de Tolga Ergin şi Nicolas Stenger de la Institutul de Tehnologie
din Karlsruhe au utilizat mantaua tridimensională pentru a face invizibilă o
protuberanţă de pe o suprafaţă de aur Mantaua este compusă din lentile
speciale asamblate icircntr-o structură polimerică lentile a căror caracteristică
este aceea de a se lega parţial de undele luminoase astfel icircncacirct să icircmpiedice
lumina să se difuzeze Toate structurile de acest gen realizate pacircnă icircn
prezent sunt bidimensionale dar ulterior a demonstrat că poate funcţiona şi
icircn 3D a precizat Ergin Aşa-numitele materiale ale invizibilităţii sunt
nanomateriale cu dimensiuni de ordinul milionimilor de metru Sunt
capabile sa devieze undele luminoase orientacircndu-le icircn jurul unui obiect
pacircnă cacircnd icircl icircnfăşoară ca o găoace aceasta comportacircndu-se de fapt ca o
manta a invizibilităţii
Obiectele pot fi făcute să pară invizibile lungimilor mari de undă
precum cele utilizate de radare dar nu şi acelora mai mici caracteristice
luminii Oamenii de ştiinţă speră să creeze materiale capabile să forţeze
circularea pe lacircngă un obiect a luminii astfel icircncacirct să icircl mascheze icircn faţa
ochiului uman şi să icircl facă practic invizibil Suprafeţele vor putea fi astfel
determinate să manipuleze toate formele de radiaţie cum ar fi lumina
microundele sau radiaţia
terahertziană conducacircnd la potenţiale
aplicaţii icircn medicină securitate şi
comunicaţii Echipele de cercetare
24
sunt coordonate de profesorul Sir John Pendry o autoritate de talie
mondiala icircn fizică de la ICL care a propus pentru prima oară icircn anul 2006
şi de către profesorul Ştefan Maier un vacircrf de lance icircn domeniul
plasmonicii sau tehnologiei undelor electromagnetice
Fig21 Exemplu de camuflaj vizibil Bombardier Stealth (SUA) ndash negru
(absorbant) icircn microunde şi vizibil
6 Bibliografie
Metaflex-mirajul invizibilităţii Revista Evrika nr12 decembrie 2010
George Nemeş Materiale cu indice de refracţie negativ (metamateriale)
Principii fizice si perspective 2005
G V Eleftheriades K G Balmain Negative-Refraction Metamaterials
Fundamental Principles and Applications Wiley Canada 2005
25
C Caloz T Itoh Electromagnetic Metamaterials Transmission Line
Theory and Microwave Applications Wiley Hoboken NJ 2006
Metaflex-primul material cu adevărat invizibil wwwdescoperăro
N Garcia and M Nieto-Vesperinas Phys Rev Lett 88 207403 (2002)
Sergiu Langa şi Ion Tighineanu UNIVERSITATEA TEHNICĂ A
MOLDOVEI FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE vol 1 nr 4 2000
httpwwwstandrewsacuk~ulfinvisibilityhtml
26
- Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de domeniul science fiction a declarat profesorul Milton
- Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991 de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
- Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a acestuia
-
Admiţacircnd icircnsă că apa ar avea un indice de refracţie negativ adacircncimea
vasului cu apă nu ni s-ar mai părea a fi prea mică ci din contra vasul ar
părea mult mai adacircnc decacirct este icircn realitate iar un creion icircn paharul cu apă
se va vedea ca icircn fotografia alăturată stacircnga ( Fig9)
7 Comportarea lentilelor la lumină este inversă decacirct in cazul obişnuit
(a) Lentila convexă efect divergent
(b) Lentila concavă efect convergent
Notă Similar se icircntacircmplă icircn microunde şi icircn domeniul X pentru materialele
transparente cu 0 lt n lt 1 (nu au n lt 0)
8 Imaginea obiectelor printr-un material cu indice de refracţie negativ va fi
situată ca icircn Fig10 de mai jos unde se observă
bull imaginea peştelui situat icircn apă mai sus decacirct icircn realitate dar icircn interiorul
apei pentru indice de refracţie pozitiv- refracţie pozitivă
bull imaginea peştelui situat icircn apă mai sus decacirct icircn realitate dar icircn exteriorul
apei pentru indice de refracţie negativ- refracţie negativă
Fig10
11
4 Metamateriale
Materialele cu indicele de refracţie negativ se mai numesc şi
ldquomateriale de stacircngardquo (icircn engleză ldquoleft-handed materialsrdquo (LHM)) Icircn
materialele obişnuite adică icircn cele cu n gt 1 poziţia relativă a vectorilor
cacircmpului magnetic şi electric al unei unde se poate afla foarte uşor folosind
aşa-numita ldquoregulă a macircinii drepterdquo Se ştie că unda electromagnetică are
reprezentarea prin cei doi vectori E ndash intensitatea cacircmpului electric şi B-
inducţia cacircmpului magnetic vectori perpendiculari unul pe altul şi pe
direcţia de propagare a undei marcată prin vectorul k (Fig11)
Fig11
Pentru materialele cu indicele de refracţie negativ această regulă nu
mai este valabilă fiind necesar să se folosească ldquoregula macircinii stacircngirdquo De
aici şi provine denumirea de materiale ldquode stacircngardquo Ele mai sunt numite şi
materiale cu undă inversată (ldquobackward wave materialsrdquo (BWM) aceasta
fiind o aluzie la faptul că energia undei se propagă icircn sens opus faţă de
sensul de propagare al undei Icircnsă de cele mai multe ori ele sunt numite
materiale cu indice negativ (ldquonegative index materialsrdquo (NIM)) sau
materiale cu indice de refracţie negativ (ldquonegative refractive indexrdquo (NRI))
Este interesant faptul că materiale cu valori negative ale unuia din cei doi
parametri (ε sau μ) se icircntacirclnesc şi icircn natură De exemplu icircn unele metale
12
cum ar fi argintul sau semiconductori la anumite frecvenţe şi condiţii
exterioare ε ia valori negative Un alt exemplu icircl constituie aşa-numită
plasmă neutră fără coliziuni (puternic rarefiată) care nu este prea comună icircn
viaţa de toate zilele O astfel de plasmă are permitivitatea negativă la
frecvenţe mai mici decacirct aşa numita ldquofrecvenţă de plasmărdquo De asemenea
există o serie de materiale feromagnetice şi antiferomagnetice ale căror
permeabilităţii magnetice μ au valori negative
Icircn 1996 Pendry a anunţat că a obţinut un material artificial care fiind
expus acţiunii undelor electromagnetice are un răspuns asemănător cu cel al
plasmei neutre fără coliziuni deci are permitivitatea electrică ε negativă
Materialul raportat de Pendry reprezintă un masiv de conductori plasaţi
paralel la anumite distanţe unul de altul Cacircţiva ani mai tacircrziu Pendry a
anunţat fabricarea unui alt tip de material
artificial ndash aşa-numitul rezonator cu inele
deschise (split-ring rezonator (SRR) a
cărui permeabilitate magnetică μ icircntr-un
anumit domeniu de frecvenţe are valoare
negativă De aici şi pacircnă la realizarea ideii
lui Veselago nu mai rămăsese mult
Combinarea celor două materiale propuse
de Pendry ar forma un material cu valori
negative aticirct pentru permitivitatea electrică
ε cacirct şi pentru permeabilitatea magnetică μ Figura alăturată ne dă o
imagine cum ar putea arăta un astfel de material ( Fig11)
13
Fig12 Metamaterialul compus din inele şi fire metalice care are indice de refracţie negativ material cu valori negative aticirct pentru permitivitatea electrică ε cacirct şi pentru permeabilitatea magnetică μ
Măsurările electromagnetice ale materialelor propuse de Pendry au
fost realizate de D Smith şi echipa sa de la Universitatea din California
SUA Icircn cazul primului material (cu permitivitatea ε negativă) s-a observat
că există un anumit interval de frecvenţe icircn care toate microundele sunt
reflectate Folosind o noţiune din domeniul cristalelor fotonice putem spune
că acest material are o bandă interzisă pentru un anumit interval de
frecvenţe Este surprinzător faptul că dacă se combină acest material cu
materialul al doilea propus de Pendry undele din acelaşi interval nu mai
sunt reflectate ci transmise de material După un şir de alte experimente
Smith et al au ajuns la concluzia că metamaterialul compus din cele două
materiale propuse de Pendry icircndeplinesc condiţiile formulate de Veselago
pentru ca un material să aibă indicele de refracţie negativ Smith spune că
refracţia negativă observată de ei nu este mică ci din contra poate ajunge
chiar pacircnă la 80deg faţă de normala pe suprafaţa de incidenţă Imediat după
publicarea rezultatelor obţinute de Smith şi colaboratorii săi un alt grup de
cercetători de această dată de la Toronto Canada a anunţat că a reuşit
fabricarea unui material cu proprietăţi asemănătoare dar care are o structură
mult mai simplă decacirct cel investigat de echipa lui Smith Mai mult ca atacirct
Shalaev de la Universitatea din Purdue SUA au propus o structură care ar
permite fabricarea peliculelor subţiri cu indicele de refracţie negativ iar o
echipă din Elveţia a anunţat că este pe cale de a fabrica o structură
tridimensională cu indicele de refracţie negativ
Icircn pofida faptului că au fost publicate multe articole care pretind că a
fost observată experimental refracţia negativă icircn diferite materiale icircn lume
există cercetători care continuă să creadă că aşa ceva este contrar legilor
naturii şi că toate măsurătorile efectuate pacircnă acum nu sunt decicirct nişte
bdquoartefacterdquo experimentale W Kohn de la Universitatea din California
14
SUA spune ldquoMaterialele cu indice de refracţie negativ reprezintă o idee
genială icircnsă nu aş fi surprins dacă nu s-ar găsi multe aplicaţii ale acestor
materialerdquo Este suficient să ne aducem aminte că imediat după inventarea
laserului comunitatea ştiinţifică a fost surprinsă că s-a lucrat atacirct de mult
pentru a-l obţine iar aplicaţiile momentane ale laserului erau atacirct de
limitate Astăzi aplicaţiile laserului sunt atacirct de diverse şi multiple icircncacirct
este greu să ţi le imaginezi Să sperăm că istoria se va repeta şi icircn cazul
materialelor cu indicele de refracţie negativ
Pentru ca indicele de refracţie n să fie o mărime care să aibă
semnificaţie fizică (să existe) este nevoie de material omogen sau cvasi-
omogen (scala spaţială aneomogenităţilor periodice p să fie p ltlt l sau p lt
l4 ) Exemple de materiale omogene pentru lumina vizibilă (500 nm) sunt
gaze lichide solide transparente Exemple de neomogenităţi neglijabile
pentru lumina vizibilă sunt atomi molecule unde diametre atomice sunt
001 nm ndash 01 nm iar dimensiunile legăturilor atomice sunt 01 nm ndash 02
nm (legătura C-C 0154 nm hexagon benzen 0280 nm) diametrul
moleculei de ulei asymp 20 nm - 25 nm De comparat cu lungimea de undă icircn
vizibil λ asymp 500 nm
Exemple de structuri periodice Pendry
15
Fig13
(a) Tije metalice (ε lt 0 pt E II z) (b) Inele icircntrerupte (micro lt 0 pt H II y)
Icircn ambele cazuri p ltlt l
Primele experimente au fost realizate cu metamaterial cu n lt 0 icircn
microunde (J B Pendry D R Smith Phys Today June 2004)
(a) Structura rezonantă inele icircntrerupte şi tije
metalice (sacircrme vizibile icircn spatele suporţilor
verticali)
(b) Banda spectrală pentru εr lt 0 şi micror lt 0
(c) Spectrul de putere transmisă numai tije
metalice verde numai inele icircntrerupte
albastru ambele roşu transmisie =
propagare
Fig14
Icircn topul descoperirilor pentru Nobel 2010 a fost şi cel oferit pentru
predicţia descoperirea şi dezvoltarea metamaterialelor negative - (Victor
Veselago John Pendry David Smith Xiang Zhang Sheldon Schultz Ulf
Leonhardt) Metamateriale sunt compuse
din componente mici cum ar fi inele mici si
tije Ele produc efecte optice noi
Refracţia negativă in microunde (J B
Pendry D R Smith Phys Today June
2004)
16
(a) Prismă cu n lt 0 simulare
(b) Prismă cu n gt 0 (teflon) simulare
(c) Experiment prismă metamaterial n lt 0
(d) Experiment prismă teflon
Fig15
Progrese icircn microunde prin realizarea unei
prisme din metamaterial pentru microunde
(Costas M Soukoulis este un distins profesor
de fizică al Iowa State University şi senior
fizician la Ames Laboratory Cartea sa
include Photonic Band Gap Materials and
Photonic Crystals and Light Localization in the Twenty-First Century
2006)
Acest cristal fotonic este o Lentilă Veselago-Pendry pentru
microunde cu indice de refactie n = -1 rezoluţie spaţială lt l (Fig16)
Sir John Brian Pendry este un fizician englez cunoscut pentru studiile
sale privind indicele de refracţie El a creat ldquopelerina invizibilităţiirdquo
(Invisibility Cloak) El este acum la catedra de fizică teoretică a stării
solide al Imperial College London Icircn 2006 primeşte Medalia Regală - The
Royal Medal of the Royal Society of London
Fig16
Astăzi s-au realizat metamateriale pentru
infraroşu şi vizibil domeniul optic fiind icircn
plină cercetare pentru realizarea invizibilităţii
17
Metamateriale sunt
bull materiale artificiale caracterizate de proprietăţi (electromagnetice)
care provin din structura acestora şi nu direct din proprietăţile
materialelor care le compun
bull Materiale prezintă anumite caracteristici structurale comparabile ca
dimensiune cu lungimea de undă a radiaţiei electromagnetice cu care
interacţionează
bull metamaterialele ldquostacircngirdquo (ldquoleft handed metamaterialrdquo ndash LHM) - nu
verifică regula măinii drepte astfel icircncacirct viteza de fază şi cea de grup
au sensuri diferite - permitivitatea electrică şi permeabilitatea
magnetică sunt negative
bull Materiale icircn care are loc refracţia negativă un fenomen anormal icircn
electromagnetism pentru care raza refractată este de aceeaşi parte ca
şi raza incidentă
bull Icircn realitate foarte străvechi pentru că le putem considera spre
exemplu sticlele colorate utilizate icircn vitraliile catedralelor
bull şi cristalele fotonice ( Fig17)
Fig17 piatra de opal a brăţării este un cristal fotonic
Ce este cristalul fotonic
Răspuns Cristalul fotonic este un mediu
dielectric periodic 1D 2D sau 3D avacircnd
periodicitatea de ordinul lungimii de undă
18
a undei electromagnetice realizat prin tehnologii de microprelucrare
Principala sa proprietate este structura de benzi fotonice Pentru o undă
monocromatica care se propagă icircntr-un cristal fotonic ideal va exista o
bandă de frecvenţă interzisă (bandgap) indiferent de direcţia undei şi
indiferent de starea de polarizare a undei Lord Rayleigh icircn 1887 a fost
primul care a arătat că se poate obţine o bandă interzisă sau band gap iar
temenul de laquo cristal fotonic raquo nu a fost introdus decacirct icircn 1987 odată cu
apariţia a două articole majore de Eli Yablonovitch şi Sajeev John Icircn
natură pe lacircngă cristalul de opal care are micro bile de siliciu repartizate
aproape uniform cristale fotonice se icircntacirclnesc şi icircn lumea animală la o
specie de vierme marin Afrodita şi la aripile fluturelui Cyanophrys remus ce
posedă o nano- arhitectură complexă la care culorile albastru metalic şi
verde sunt atribuite structurii de cristale fotonice Ele sunt compuse din
chitină şi aer iar aranjamentul formează o structură dielectrică periodică
Una dintre barierele existente icircn telecomunicaţii la ora actuală este
reprezentată de nodurile de procesare care conectează reţelele de fibră
optică noduri necesare pentru routarea informaţiilor La ora actuală nu
există o metoda ieftină şi eficientă ca acest proces sa fie unul icircn totalitate
optic transmisia optică trebuind să fie convertită icircn semnale electrice pentru
a fi procesată de echipamentele de routare după care la loc icircn semnale
optice pentru transmisia mai departe Acest lucru reprezintă o gacirctuire a
fluxului de date deoarece fibra optică poate transmite mult mai multă
informatie (şi mai rapid) decat firele de cupru Aceasta pentru că icircn fibra
optică transmisia este realizată pe lungimi
de undă diferite un fel de separare pe
culori De aceea ideea este de a realiza nişte
cristale fotonice (cu un exemplu de structură
19
ilustrată icircn imagine) care să separe aceste culori diferite de lumina albă şi să
le routeze icircntr-un mod eficient ( Fig18)
Fig18
5 Invizibilitatea
Pacircnă nu demult invizibilitatea ţinea de domeniul fantasticului Se
pare icircnsă că omul invizibil al lui Wells dar şi navele invizibile ale
klingonienilor din Star Trek sunt pe cale să coboare din literatura şi filmele
science-fiction icircn lumea reală Pelerina invizibilităţii este tot mai aproape
de realitate Cercetătorii au realizat două noi tipuri de materiale care reflectă
lumina icircn mod diferit ceea ce aduce mai aproape de realitate dispozitivul
supranumit pelerina invizibilităţii Unul dintre materiale foloseşte o plasă
din straturi metalice care reflectă icircn sens invers direcţia luminii icircn timp ce
20
al doilea foloseşte fire minuscule de argint Componenţa ambelor materiale
poate fi analizată la scară nanometrică Ambele creaţii ale oamenilor de
ştiinţă sunt metamateriale structuri realizate artificial care au proprietăţi ce
nu se icircntacirclnesc icircn natură cum ar fi indicele de refracţie negativ Două echipe
au lucrat separat la elaborarea materialelor
sub conducerea lui Xiang Zhang de la Centrul
de inginerie şi ştiinţă nanometrică din cadrul
Universităţii Berkley California Fiecare
dintre noile materiale are proprietăţi de
reflectare a luminii icircn valuri de lungime
limitată astfel icircncacirct nimeni nu le poate utiliza
pentru a ascunde clădiri de sateliţi a declarat
Jason Valentine membru al uneia dintre echipe De fapt nu ascundem
nimic Nu cred că trebuie să fim icircngrijoraţi de persoane invizibile care să
umble icircn jurul nostru icircn viitorul apropiat Să fiu cinstit suntem abia la
icircnceput icircn ceea ce priveşte cercetările privind invizibilitatea a spus
Valentine Echipa lui Valentine a realizat un material care influenţează
lumina din apropierea spectrului vizibil icircntr-o regiune folosită icircn cadrul
fibrelor optice Icircn materialele naturale indicele de refracţie care măsoară
modul icircn care lumina acţionează icircntr-un mediu este pozitiv a spus el
Atunci cacircnd vezi un peşte icircn apă acesta va apărea icircn faţa poziţiei icircn care se
află de fapt Dacă pui un băţ icircn apă acesta pare să se icircndoaie a precizat el
menţionacircnd că aceste iluzii sunt provocate de modul icircn care lumina se
refractă atunci cacircnd se mişcă icircntre apă şi aer
Icircnconjoară obiectul ce se doreşte invizibil cu un metamaterial (Fig19)care
să deformeze traseul razelor de lumină prin metamaterial ocolind obiectul
şi care să le recombine după obiect aşa cum erau icircnainte de obiect astfel
obiectul nu este vizibil
Fig19
21
Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de
pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns
profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific
cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991
de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru
Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors
niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru
Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea
Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul
timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al
bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici
au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale
cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că
obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci
cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a
spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi
mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu
are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric
vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un
obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a
acestuia
Foarte flexibil dar mai ales ldquoinvizibilrdquo Metaflex face parte din
categoria metamaterialelor capabile sa devieze traiectoria radiaţiilor făcacircnd
invizibile obiectele Metaflex a fost realizat de cercetătorul italian Andrea
22
Di Falco şi echipa lui de la Universitatea St Andrews din Scoţia Metaflex
constituie subiectul proiectului de cercetare icircn cadrul EPSRC( Engineering
and Physical Science Research Council) denumit bdquoMetaflex- materiale pe
straturi optice transparente flexibilerdquo avacircnd ca scop fabricarea
metamaterialelor icircn membrane foarte subţiri şi flexibile După cum au
explicat oamenii de ştiinţă icircntr-un articol publicat icircn New Journal of
Physics incredibila elasticitate a materialului permite imaginarea unor
aplicaţii SF precum hainele icircn măsura să-l facă pe cel care le poartă
invizibil Găsirea unei modalităţi de a ascunde obiecte de lumina vizibilă
este o veche idee fixă de-a oamenilor de ştiinţă Primele succese icircn acest
sens au fost reprezentate de crearea unor materiale cu caracteristici electrice
şi magnetice speciale Aceste metamateriale care au proprietăţile datorită
structurii geometrice a atomilor sunt icircn măsură să facă să treacă o radiaţie
electromagnetică icircn jurul unui obiect Astfel obiectul devine invizibil
deoarece eludează incidenţa şi reflexia radiaţiei Pacircnă astăzi cercetătorii au
reuşit să creeze materiale invizibile la microunde şi raze infraroşii dar nu şi
la lumina vizibilă Dificultatea de a face un obiect transparent la radiaţia
luminoasă stă icircn faptul că trebuie lucrat pe geometrii infinit de mici
capabile să interacţioneze cu lumina care are o lungime de undă de ordinul
a doar cacircteva sute de nanometri Odată depaşită această dificultate
cercetătorii s-au văzut nevoiţi să icircnfrunte o alta proiectarea unui meta-
material care sa nu fie rigid ci flexibil astfel icircncacirct să poată fi utilizat pentru
fabricarea obiectelor elastice Echipa lui Di Falco a reuşit să depăşească şi
acest ultim obstacol obţinacircnd un pătrăţel de cacircţiva centimetri pătraţi şi o
grosime de 4 micrometri care face obiectele transparente la lumina
portocalie Mai rămacircne de văzut dacă aceste caracteristici ale materialului se
modifică atunci cacircnd este icircndoit sau rămacircn neschimbate icircn primul caz
invenţia va deschide calea realizării unei noi clase de lentile icircn al doilea
punerii la punct a unei adevărate pelerine a invizibilităţii Flexibilitatea
23
metaflexului permite proiectarea şi fabricarea unui sistem de camuflaj
deoarece materialul se poate adapta mediului icircnconjurător
Icircn cadrul studiului lor un grup de cercetători germani si englezi
coordonaţi de Tolga Ergin şi Nicolas Stenger de la Institutul de Tehnologie
din Karlsruhe au utilizat mantaua tridimensională pentru a face invizibilă o
protuberanţă de pe o suprafaţă de aur Mantaua este compusă din lentile
speciale asamblate icircntr-o structură polimerică lentile a căror caracteristică
este aceea de a se lega parţial de undele luminoase astfel icircncacirct să icircmpiedice
lumina să se difuzeze Toate structurile de acest gen realizate pacircnă icircn
prezent sunt bidimensionale dar ulterior a demonstrat că poate funcţiona şi
icircn 3D a precizat Ergin Aşa-numitele materiale ale invizibilităţii sunt
nanomateriale cu dimensiuni de ordinul milionimilor de metru Sunt
capabile sa devieze undele luminoase orientacircndu-le icircn jurul unui obiect
pacircnă cacircnd icircl icircnfăşoară ca o găoace aceasta comportacircndu-se de fapt ca o
manta a invizibilităţii
Obiectele pot fi făcute să pară invizibile lungimilor mari de undă
precum cele utilizate de radare dar nu şi acelora mai mici caracteristice
luminii Oamenii de ştiinţă speră să creeze materiale capabile să forţeze
circularea pe lacircngă un obiect a luminii astfel icircncacirct să icircl mascheze icircn faţa
ochiului uman şi să icircl facă practic invizibil Suprafeţele vor putea fi astfel
determinate să manipuleze toate formele de radiaţie cum ar fi lumina
microundele sau radiaţia
terahertziană conducacircnd la potenţiale
aplicaţii icircn medicină securitate şi
comunicaţii Echipele de cercetare
24
sunt coordonate de profesorul Sir John Pendry o autoritate de talie
mondiala icircn fizică de la ICL care a propus pentru prima oară icircn anul 2006
şi de către profesorul Ştefan Maier un vacircrf de lance icircn domeniul
plasmonicii sau tehnologiei undelor electromagnetice
Fig21 Exemplu de camuflaj vizibil Bombardier Stealth (SUA) ndash negru
(absorbant) icircn microunde şi vizibil
6 Bibliografie
Metaflex-mirajul invizibilităţii Revista Evrika nr12 decembrie 2010
George Nemeş Materiale cu indice de refracţie negativ (metamateriale)
Principii fizice si perspective 2005
G V Eleftheriades K G Balmain Negative-Refraction Metamaterials
Fundamental Principles and Applications Wiley Canada 2005
25
C Caloz T Itoh Electromagnetic Metamaterials Transmission Line
Theory and Microwave Applications Wiley Hoboken NJ 2006
Metaflex-primul material cu adevărat invizibil wwwdescoperăro
N Garcia and M Nieto-Vesperinas Phys Rev Lett 88 207403 (2002)
Sergiu Langa şi Ion Tighineanu UNIVERSITATEA TEHNICĂ A
MOLDOVEI FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE vol 1 nr 4 2000
httpwwwstandrewsacuk~ulfinvisibilityhtml
26
- Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de domeniul science fiction a declarat profesorul Milton
- Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991 de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
- Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a acestuia
-
4 Metamateriale
Materialele cu indicele de refracţie negativ se mai numesc şi
ldquomateriale de stacircngardquo (icircn engleză ldquoleft-handed materialsrdquo (LHM)) Icircn
materialele obişnuite adică icircn cele cu n gt 1 poziţia relativă a vectorilor
cacircmpului magnetic şi electric al unei unde se poate afla foarte uşor folosind
aşa-numita ldquoregulă a macircinii drepterdquo Se ştie că unda electromagnetică are
reprezentarea prin cei doi vectori E ndash intensitatea cacircmpului electric şi B-
inducţia cacircmpului magnetic vectori perpendiculari unul pe altul şi pe
direcţia de propagare a undei marcată prin vectorul k (Fig11)
Fig11
Pentru materialele cu indicele de refracţie negativ această regulă nu
mai este valabilă fiind necesar să se folosească ldquoregula macircinii stacircngirdquo De
aici şi provine denumirea de materiale ldquode stacircngardquo Ele mai sunt numite şi
materiale cu undă inversată (ldquobackward wave materialsrdquo (BWM) aceasta
fiind o aluzie la faptul că energia undei se propagă icircn sens opus faţă de
sensul de propagare al undei Icircnsă de cele mai multe ori ele sunt numite
materiale cu indice negativ (ldquonegative index materialsrdquo (NIM)) sau
materiale cu indice de refracţie negativ (ldquonegative refractive indexrdquo (NRI))
Este interesant faptul că materiale cu valori negative ale unuia din cei doi
parametri (ε sau μ) se icircntacirclnesc şi icircn natură De exemplu icircn unele metale
12
cum ar fi argintul sau semiconductori la anumite frecvenţe şi condiţii
exterioare ε ia valori negative Un alt exemplu icircl constituie aşa-numită
plasmă neutră fără coliziuni (puternic rarefiată) care nu este prea comună icircn
viaţa de toate zilele O astfel de plasmă are permitivitatea negativă la
frecvenţe mai mici decacirct aşa numita ldquofrecvenţă de plasmărdquo De asemenea
există o serie de materiale feromagnetice şi antiferomagnetice ale căror
permeabilităţii magnetice μ au valori negative
Icircn 1996 Pendry a anunţat că a obţinut un material artificial care fiind
expus acţiunii undelor electromagnetice are un răspuns asemănător cu cel al
plasmei neutre fără coliziuni deci are permitivitatea electrică ε negativă
Materialul raportat de Pendry reprezintă un masiv de conductori plasaţi
paralel la anumite distanţe unul de altul Cacircţiva ani mai tacircrziu Pendry a
anunţat fabricarea unui alt tip de material
artificial ndash aşa-numitul rezonator cu inele
deschise (split-ring rezonator (SRR) a
cărui permeabilitate magnetică μ icircntr-un
anumit domeniu de frecvenţe are valoare
negativă De aici şi pacircnă la realizarea ideii
lui Veselago nu mai rămăsese mult
Combinarea celor două materiale propuse
de Pendry ar forma un material cu valori
negative aticirct pentru permitivitatea electrică
ε cacirct şi pentru permeabilitatea magnetică μ Figura alăturată ne dă o
imagine cum ar putea arăta un astfel de material ( Fig11)
13
Fig12 Metamaterialul compus din inele şi fire metalice care are indice de refracţie negativ material cu valori negative aticirct pentru permitivitatea electrică ε cacirct şi pentru permeabilitatea magnetică μ
Măsurările electromagnetice ale materialelor propuse de Pendry au
fost realizate de D Smith şi echipa sa de la Universitatea din California
SUA Icircn cazul primului material (cu permitivitatea ε negativă) s-a observat
că există un anumit interval de frecvenţe icircn care toate microundele sunt
reflectate Folosind o noţiune din domeniul cristalelor fotonice putem spune
că acest material are o bandă interzisă pentru un anumit interval de
frecvenţe Este surprinzător faptul că dacă se combină acest material cu
materialul al doilea propus de Pendry undele din acelaşi interval nu mai
sunt reflectate ci transmise de material După un şir de alte experimente
Smith et al au ajuns la concluzia că metamaterialul compus din cele două
materiale propuse de Pendry icircndeplinesc condiţiile formulate de Veselago
pentru ca un material să aibă indicele de refracţie negativ Smith spune că
refracţia negativă observată de ei nu este mică ci din contra poate ajunge
chiar pacircnă la 80deg faţă de normala pe suprafaţa de incidenţă Imediat după
publicarea rezultatelor obţinute de Smith şi colaboratorii săi un alt grup de
cercetători de această dată de la Toronto Canada a anunţat că a reuşit
fabricarea unui material cu proprietăţi asemănătoare dar care are o structură
mult mai simplă decacirct cel investigat de echipa lui Smith Mai mult ca atacirct
Shalaev de la Universitatea din Purdue SUA au propus o structură care ar
permite fabricarea peliculelor subţiri cu indicele de refracţie negativ iar o
echipă din Elveţia a anunţat că este pe cale de a fabrica o structură
tridimensională cu indicele de refracţie negativ
Icircn pofida faptului că au fost publicate multe articole care pretind că a
fost observată experimental refracţia negativă icircn diferite materiale icircn lume
există cercetători care continuă să creadă că aşa ceva este contrar legilor
naturii şi că toate măsurătorile efectuate pacircnă acum nu sunt decicirct nişte
bdquoartefacterdquo experimentale W Kohn de la Universitatea din California
14
SUA spune ldquoMaterialele cu indice de refracţie negativ reprezintă o idee
genială icircnsă nu aş fi surprins dacă nu s-ar găsi multe aplicaţii ale acestor
materialerdquo Este suficient să ne aducem aminte că imediat după inventarea
laserului comunitatea ştiinţifică a fost surprinsă că s-a lucrat atacirct de mult
pentru a-l obţine iar aplicaţiile momentane ale laserului erau atacirct de
limitate Astăzi aplicaţiile laserului sunt atacirct de diverse şi multiple icircncacirct
este greu să ţi le imaginezi Să sperăm că istoria se va repeta şi icircn cazul
materialelor cu indicele de refracţie negativ
Pentru ca indicele de refracţie n să fie o mărime care să aibă
semnificaţie fizică (să existe) este nevoie de material omogen sau cvasi-
omogen (scala spaţială aneomogenităţilor periodice p să fie p ltlt l sau p lt
l4 ) Exemple de materiale omogene pentru lumina vizibilă (500 nm) sunt
gaze lichide solide transparente Exemple de neomogenităţi neglijabile
pentru lumina vizibilă sunt atomi molecule unde diametre atomice sunt
001 nm ndash 01 nm iar dimensiunile legăturilor atomice sunt 01 nm ndash 02
nm (legătura C-C 0154 nm hexagon benzen 0280 nm) diametrul
moleculei de ulei asymp 20 nm - 25 nm De comparat cu lungimea de undă icircn
vizibil λ asymp 500 nm
Exemple de structuri periodice Pendry
15
Fig13
(a) Tije metalice (ε lt 0 pt E II z) (b) Inele icircntrerupte (micro lt 0 pt H II y)
Icircn ambele cazuri p ltlt l
Primele experimente au fost realizate cu metamaterial cu n lt 0 icircn
microunde (J B Pendry D R Smith Phys Today June 2004)
(a) Structura rezonantă inele icircntrerupte şi tije
metalice (sacircrme vizibile icircn spatele suporţilor
verticali)
(b) Banda spectrală pentru εr lt 0 şi micror lt 0
(c) Spectrul de putere transmisă numai tije
metalice verde numai inele icircntrerupte
albastru ambele roşu transmisie =
propagare
Fig14
Icircn topul descoperirilor pentru Nobel 2010 a fost şi cel oferit pentru
predicţia descoperirea şi dezvoltarea metamaterialelor negative - (Victor
Veselago John Pendry David Smith Xiang Zhang Sheldon Schultz Ulf
Leonhardt) Metamateriale sunt compuse
din componente mici cum ar fi inele mici si
tije Ele produc efecte optice noi
Refracţia negativă in microunde (J B
Pendry D R Smith Phys Today June
2004)
16
(a) Prismă cu n lt 0 simulare
(b) Prismă cu n gt 0 (teflon) simulare
(c) Experiment prismă metamaterial n lt 0
(d) Experiment prismă teflon
Fig15
Progrese icircn microunde prin realizarea unei
prisme din metamaterial pentru microunde
(Costas M Soukoulis este un distins profesor
de fizică al Iowa State University şi senior
fizician la Ames Laboratory Cartea sa
include Photonic Band Gap Materials and
Photonic Crystals and Light Localization in the Twenty-First Century
2006)
Acest cristal fotonic este o Lentilă Veselago-Pendry pentru
microunde cu indice de refactie n = -1 rezoluţie spaţială lt l (Fig16)
Sir John Brian Pendry este un fizician englez cunoscut pentru studiile
sale privind indicele de refracţie El a creat ldquopelerina invizibilităţiirdquo
(Invisibility Cloak) El este acum la catedra de fizică teoretică a stării
solide al Imperial College London Icircn 2006 primeşte Medalia Regală - The
Royal Medal of the Royal Society of London
Fig16
Astăzi s-au realizat metamateriale pentru
infraroşu şi vizibil domeniul optic fiind icircn
plină cercetare pentru realizarea invizibilităţii
17
Metamateriale sunt
bull materiale artificiale caracterizate de proprietăţi (electromagnetice)
care provin din structura acestora şi nu direct din proprietăţile
materialelor care le compun
bull Materiale prezintă anumite caracteristici structurale comparabile ca
dimensiune cu lungimea de undă a radiaţiei electromagnetice cu care
interacţionează
bull metamaterialele ldquostacircngirdquo (ldquoleft handed metamaterialrdquo ndash LHM) - nu
verifică regula măinii drepte astfel icircncacirct viteza de fază şi cea de grup
au sensuri diferite - permitivitatea electrică şi permeabilitatea
magnetică sunt negative
bull Materiale icircn care are loc refracţia negativă un fenomen anormal icircn
electromagnetism pentru care raza refractată este de aceeaşi parte ca
şi raza incidentă
bull Icircn realitate foarte străvechi pentru că le putem considera spre
exemplu sticlele colorate utilizate icircn vitraliile catedralelor
bull şi cristalele fotonice ( Fig17)
Fig17 piatra de opal a brăţării este un cristal fotonic
Ce este cristalul fotonic
Răspuns Cristalul fotonic este un mediu
dielectric periodic 1D 2D sau 3D avacircnd
periodicitatea de ordinul lungimii de undă
18
a undei electromagnetice realizat prin tehnologii de microprelucrare
Principala sa proprietate este structura de benzi fotonice Pentru o undă
monocromatica care se propagă icircntr-un cristal fotonic ideal va exista o
bandă de frecvenţă interzisă (bandgap) indiferent de direcţia undei şi
indiferent de starea de polarizare a undei Lord Rayleigh icircn 1887 a fost
primul care a arătat că se poate obţine o bandă interzisă sau band gap iar
temenul de laquo cristal fotonic raquo nu a fost introdus decacirct icircn 1987 odată cu
apariţia a două articole majore de Eli Yablonovitch şi Sajeev John Icircn
natură pe lacircngă cristalul de opal care are micro bile de siliciu repartizate
aproape uniform cristale fotonice se icircntacirclnesc şi icircn lumea animală la o
specie de vierme marin Afrodita şi la aripile fluturelui Cyanophrys remus ce
posedă o nano- arhitectură complexă la care culorile albastru metalic şi
verde sunt atribuite structurii de cristale fotonice Ele sunt compuse din
chitină şi aer iar aranjamentul formează o structură dielectrică periodică
Una dintre barierele existente icircn telecomunicaţii la ora actuală este
reprezentată de nodurile de procesare care conectează reţelele de fibră
optică noduri necesare pentru routarea informaţiilor La ora actuală nu
există o metoda ieftină şi eficientă ca acest proces sa fie unul icircn totalitate
optic transmisia optică trebuind să fie convertită icircn semnale electrice pentru
a fi procesată de echipamentele de routare după care la loc icircn semnale
optice pentru transmisia mai departe Acest lucru reprezintă o gacirctuire a
fluxului de date deoarece fibra optică poate transmite mult mai multă
informatie (şi mai rapid) decat firele de cupru Aceasta pentru că icircn fibra
optică transmisia este realizată pe lungimi
de undă diferite un fel de separare pe
culori De aceea ideea este de a realiza nişte
cristale fotonice (cu un exemplu de structură
19
ilustrată icircn imagine) care să separe aceste culori diferite de lumina albă şi să
le routeze icircntr-un mod eficient ( Fig18)
Fig18
5 Invizibilitatea
Pacircnă nu demult invizibilitatea ţinea de domeniul fantasticului Se
pare icircnsă că omul invizibil al lui Wells dar şi navele invizibile ale
klingonienilor din Star Trek sunt pe cale să coboare din literatura şi filmele
science-fiction icircn lumea reală Pelerina invizibilităţii este tot mai aproape
de realitate Cercetătorii au realizat două noi tipuri de materiale care reflectă
lumina icircn mod diferit ceea ce aduce mai aproape de realitate dispozitivul
supranumit pelerina invizibilităţii Unul dintre materiale foloseşte o plasă
din straturi metalice care reflectă icircn sens invers direcţia luminii icircn timp ce
20
al doilea foloseşte fire minuscule de argint Componenţa ambelor materiale
poate fi analizată la scară nanometrică Ambele creaţii ale oamenilor de
ştiinţă sunt metamateriale structuri realizate artificial care au proprietăţi ce
nu se icircntacirclnesc icircn natură cum ar fi indicele de refracţie negativ Două echipe
au lucrat separat la elaborarea materialelor
sub conducerea lui Xiang Zhang de la Centrul
de inginerie şi ştiinţă nanometrică din cadrul
Universităţii Berkley California Fiecare
dintre noile materiale are proprietăţi de
reflectare a luminii icircn valuri de lungime
limitată astfel icircncacirct nimeni nu le poate utiliza
pentru a ascunde clădiri de sateliţi a declarat
Jason Valentine membru al uneia dintre echipe De fapt nu ascundem
nimic Nu cred că trebuie să fim icircngrijoraţi de persoane invizibile care să
umble icircn jurul nostru icircn viitorul apropiat Să fiu cinstit suntem abia la
icircnceput icircn ceea ce priveşte cercetările privind invizibilitatea a spus
Valentine Echipa lui Valentine a realizat un material care influenţează
lumina din apropierea spectrului vizibil icircntr-o regiune folosită icircn cadrul
fibrelor optice Icircn materialele naturale indicele de refracţie care măsoară
modul icircn care lumina acţionează icircntr-un mediu este pozitiv a spus el
Atunci cacircnd vezi un peşte icircn apă acesta va apărea icircn faţa poziţiei icircn care se
află de fapt Dacă pui un băţ icircn apă acesta pare să se icircndoaie a precizat el
menţionacircnd că aceste iluzii sunt provocate de modul icircn care lumina se
refractă atunci cacircnd se mişcă icircntre apă şi aer
Icircnconjoară obiectul ce se doreşte invizibil cu un metamaterial (Fig19)care
să deformeze traseul razelor de lumină prin metamaterial ocolind obiectul
şi care să le recombine după obiect aşa cum erau icircnainte de obiect astfel
obiectul nu este vizibil
Fig19
21
Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de
pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns
profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific
cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991
de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru
Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors
niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru
Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea
Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul
timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al
bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici
au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale
cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că
obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci
cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a
spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi
mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu
are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric
vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un
obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a
acestuia
Foarte flexibil dar mai ales ldquoinvizibilrdquo Metaflex face parte din
categoria metamaterialelor capabile sa devieze traiectoria radiaţiilor făcacircnd
invizibile obiectele Metaflex a fost realizat de cercetătorul italian Andrea
22
Di Falco şi echipa lui de la Universitatea St Andrews din Scoţia Metaflex
constituie subiectul proiectului de cercetare icircn cadrul EPSRC( Engineering
and Physical Science Research Council) denumit bdquoMetaflex- materiale pe
straturi optice transparente flexibilerdquo avacircnd ca scop fabricarea
metamaterialelor icircn membrane foarte subţiri şi flexibile După cum au
explicat oamenii de ştiinţă icircntr-un articol publicat icircn New Journal of
Physics incredibila elasticitate a materialului permite imaginarea unor
aplicaţii SF precum hainele icircn măsura să-l facă pe cel care le poartă
invizibil Găsirea unei modalităţi de a ascunde obiecte de lumina vizibilă
este o veche idee fixă de-a oamenilor de ştiinţă Primele succese icircn acest
sens au fost reprezentate de crearea unor materiale cu caracteristici electrice
şi magnetice speciale Aceste metamateriale care au proprietăţile datorită
structurii geometrice a atomilor sunt icircn măsură să facă să treacă o radiaţie
electromagnetică icircn jurul unui obiect Astfel obiectul devine invizibil
deoarece eludează incidenţa şi reflexia radiaţiei Pacircnă astăzi cercetătorii au
reuşit să creeze materiale invizibile la microunde şi raze infraroşii dar nu şi
la lumina vizibilă Dificultatea de a face un obiect transparent la radiaţia
luminoasă stă icircn faptul că trebuie lucrat pe geometrii infinit de mici
capabile să interacţioneze cu lumina care are o lungime de undă de ordinul
a doar cacircteva sute de nanometri Odată depaşită această dificultate
cercetătorii s-au văzut nevoiţi să icircnfrunte o alta proiectarea unui meta-
material care sa nu fie rigid ci flexibil astfel icircncacirct să poată fi utilizat pentru
fabricarea obiectelor elastice Echipa lui Di Falco a reuşit să depăşească şi
acest ultim obstacol obţinacircnd un pătrăţel de cacircţiva centimetri pătraţi şi o
grosime de 4 micrometri care face obiectele transparente la lumina
portocalie Mai rămacircne de văzut dacă aceste caracteristici ale materialului se
modifică atunci cacircnd este icircndoit sau rămacircn neschimbate icircn primul caz
invenţia va deschide calea realizării unei noi clase de lentile icircn al doilea
punerii la punct a unei adevărate pelerine a invizibilităţii Flexibilitatea
23
metaflexului permite proiectarea şi fabricarea unui sistem de camuflaj
deoarece materialul se poate adapta mediului icircnconjurător
Icircn cadrul studiului lor un grup de cercetători germani si englezi
coordonaţi de Tolga Ergin şi Nicolas Stenger de la Institutul de Tehnologie
din Karlsruhe au utilizat mantaua tridimensională pentru a face invizibilă o
protuberanţă de pe o suprafaţă de aur Mantaua este compusă din lentile
speciale asamblate icircntr-o structură polimerică lentile a căror caracteristică
este aceea de a se lega parţial de undele luminoase astfel icircncacirct să icircmpiedice
lumina să se difuzeze Toate structurile de acest gen realizate pacircnă icircn
prezent sunt bidimensionale dar ulterior a demonstrat că poate funcţiona şi
icircn 3D a precizat Ergin Aşa-numitele materiale ale invizibilităţii sunt
nanomateriale cu dimensiuni de ordinul milionimilor de metru Sunt
capabile sa devieze undele luminoase orientacircndu-le icircn jurul unui obiect
pacircnă cacircnd icircl icircnfăşoară ca o găoace aceasta comportacircndu-se de fapt ca o
manta a invizibilităţii
Obiectele pot fi făcute să pară invizibile lungimilor mari de undă
precum cele utilizate de radare dar nu şi acelora mai mici caracteristice
luminii Oamenii de ştiinţă speră să creeze materiale capabile să forţeze
circularea pe lacircngă un obiect a luminii astfel icircncacirct să icircl mascheze icircn faţa
ochiului uman şi să icircl facă practic invizibil Suprafeţele vor putea fi astfel
determinate să manipuleze toate formele de radiaţie cum ar fi lumina
microundele sau radiaţia
terahertziană conducacircnd la potenţiale
aplicaţii icircn medicină securitate şi
comunicaţii Echipele de cercetare
24
sunt coordonate de profesorul Sir John Pendry o autoritate de talie
mondiala icircn fizică de la ICL care a propus pentru prima oară icircn anul 2006
şi de către profesorul Ştefan Maier un vacircrf de lance icircn domeniul
plasmonicii sau tehnologiei undelor electromagnetice
Fig21 Exemplu de camuflaj vizibil Bombardier Stealth (SUA) ndash negru
(absorbant) icircn microunde şi vizibil
6 Bibliografie
Metaflex-mirajul invizibilităţii Revista Evrika nr12 decembrie 2010
George Nemeş Materiale cu indice de refracţie negativ (metamateriale)
Principii fizice si perspective 2005
G V Eleftheriades K G Balmain Negative-Refraction Metamaterials
Fundamental Principles and Applications Wiley Canada 2005
25
C Caloz T Itoh Electromagnetic Metamaterials Transmission Line
Theory and Microwave Applications Wiley Hoboken NJ 2006
Metaflex-primul material cu adevărat invizibil wwwdescoperăro
N Garcia and M Nieto-Vesperinas Phys Rev Lett 88 207403 (2002)
Sergiu Langa şi Ion Tighineanu UNIVERSITATEA TEHNICĂ A
MOLDOVEI FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE vol 1 nr 4 2000
httpwwwstandrewsacuk~ulfinvisibilityhtml
26
- Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de domeniul science fiction a declarat profesorul Milton
- Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991 de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
- Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a acestuia
-
cum ar fi argintul sau semiconductori la anumite frecvenţe şi condiţii
exterioare ε ia valori negative Un alt exemplu icircl constituie aşa-numită
plasmă neutră fără coliziuni (puternic rarefiată) care nu este prea comună icircn
viaţa de toate zilele O astfel de plasmă are permitivitatea negativă la
frecvenţe mai mici decacirct aşa numita ldquofrecvenţă de plasmărdquo De asemenea
există o serie de materiale feromagnetice şi antiferomagnetice ale căror
permeabilităţii magnetice μ au valori negative
Icircn 1996 Pendry a anunţat că a obţinut un material artificial care fiind
expus acţiunii undelor electromagnetice are un răspuns asemănător cu cel al
plasmei neutre fără coliziuni deci are permitivitatea electrică ε negativă
Materialul raportat de Pendry reprezintă un masiv de conductori plasaţi
paralel la anumite distanţe unul de altul Cacircţiva ani mai tacircrziu Pendry a
anunţat fabricarea unui alt tip de material
artificial ndash aşa-numitul rezonator cu inele
deschise (split-ring rezonator (SRR) a
cărui permeabilitate magnetică μ icircntr-un
anumit domeniu de frecvenţe are valoare
negativă De aici şi pacircnă la realizarea ideii
lui Veselago nu mai rămăsese mult
Combinarea celor două materiale propuse
de Pendry ar forma un material cu valori
negative aticirct pentru permitivitatea electrică
ε cacirct şi pentru permeabilitatea magnetică μ Figura alăturată ne dă o
imagine cum ar putea arăta un astfel de material ( Fig11)
13
Fig12 Metamaterialul compus din inele şi fire metalice care are indice de refracţie negativ material cu valori negative aticirct pentru permitivitatea electrică ε cacirct şi pentru permeabilitatea magnetică μ
Măsurările electromagnetice ale materialelor propuse de Pendry au
fost realizate de D Smith şi echipa sa de la Universitatea din California
SUA Icircn cazul primului material (cu permitivitatea ε negativă) s-a observat
că există un anumit interval de frecvenţe icircn care toate microundele sunt
reflectate Folosind o noţiune din domeniul cristalelor fotonice putem spune
că acest material are o bandă interzisă pentru un anumit interval de
frecvenţe Este surprinzător faptul că dacă se combină acest material cu
materialul al doilea propus de Pendry undele din acelaşi interval nu mai
sunt reflectate ci transmise de material După un şir de alte experimente
Smith et al au ajuns la concluzia că metamaterialul compus din cele două
materiale propuse de Pendry icircndeplinesc condiţiile formulate de Veselago
pentru ca un material să aibă indicele de refracţie negativ Smith spune că
refracţia negativă observată de ei nu este mică ci din contra poate ajunge
chiar pacircnă la 80deg faţă de normala pe suprafaţa de incidenţă Imediat după
publicarea rezultatelor obţinute de Smith şi colaboratorii săi un alt grup de
cercetători de această dată de la Toronto Canada a anunţat că a reuşit
fabricarea unui material cu proprietăţi asemănătoare dar care are o structură
mult mai simplă decacirct cel investigat de echipa lui Smith Mai mult ca atacirct
Shalaev de la Universitatea din Purdue SUA au propus o structură care ar
permite fabricarea peliculelor subţiri cu indicele de refracţie negativ iar o
echipă din Elveţia a anunţat că este pe cale de a fabrica o structură
tridimensională cu indicele de refracţie negativ
Icircn pofida faptului că au fost publicate multe articole care pretind că a
fost observată experimental refracţia negativă icircn diferite materiale icircn lume
există cercetători care continuă să creadă că aşa ceva este contrar legilor
naturii şi că toate măsurătorile efectuate pacircnă acum nu sunt decicirct nişte
bdquoartefacterdquo experimentale W Kohn de la Universitatea din California
14
SUA spune ldquoMaterialele cu indice de refracţie negativ reprezintă o idee
genială icircnsă nu aş fi surprins dacă nu s-ar găsi multe aplicaţii ale acestor
materialerdquo Este suficient să ne aducem aminte că imediat după inventarea
laserului comunitatea ştiinţifică a fost surprinsă că s-a lucrat atacirct de mult
pentru a-l obţine iar aplicaţiile momentane ale laserului erau atacirct de
limitate Astăzi aplicaţiile laserului sunt atacirct de diverse şi multiple icircncacirct
este greu să ţi le imaginezi Să sperăm că istoria se va repeta şi icircn cazul
materialelor cu indicele de refracţie negativ
Pentru ca indicele de refracţie n să fie o mărime care să aibă
semnificaţie fizică (să existe) este nevoie de material omogen sau cvasi-
omogen (scala spaţială aneomogenităţilor periodice p să fie p ltlt l sau p lt
l4 ) Exemple de materiale omogene pentru lumina vizibilă (500 nm) sunt
gaze lichide solide transparente Exemple de neomogenităţi neglijabile
pentru lumina vizibilă sunt atomi molecule unde diametre atomice sunt
001 nm ndash 01 nm iar dimensiunile legăturilor atomice sunt 01 nm ndash 02
nm (legătura C-C 0154 nm hexagon benzen 0280 nm) diametrul
moleculei de ulei asymp 20 nm - 25 nm De comparat cu lungimea de undă icircn
vizibil λ asymp 500 nm
Exemple de structuri periodice Pendry
15
Fig13
(a) Tije metalice (ε lt 0 pt E II z) (b) Inele icircntrerupte (micro lt 0 pt H II y)
Icircn ambele cazuri p ltlt l
Primele experimente au fost realizate cu metamaterial cu n lt 0 icircn
microunde (J B Pendry D R Smith Phys Today June 2004)
(a) Structura rezonantă inele icircntrerupte şi tije
metalice (sacircrme vizibile icircn spatele suporţilor
verticali)
(b) Banda spectrală pentru εr lt 0 şi micror lt 0
(c) Spectrul de putere transmisă numai tije
metalice verde numai inele icircntrerupte
albastru ambele roşu transmisie =
propagare
Fig14
Icircn topul descoperirilor pentru Nobel 2010 a fost şi cel oferit pentru
predicţia descoperirea şi dezvoltarea metamaterialelor negative - (Victor
Veselago John Pendry David Smith Xiang Zhang Sheldon Schultz Ulf
Leonhardt) Metamateriale sunt compuse
din componente mici cum ar fi inele mici si
tije Ele produc efecte optice noi
Refracţia negativă in microunde (J B
Pendry D R Smith Phys Today June
2004)
16
(a) Prismă cu n lt 0 simulare
(b) Prismă cu n gt 0 (teflon) simulare
(c) Experiment prismă metamaterial n lt 0
(d) Experiment prismă teflon
Fig15
Progrese icircn microunde prin realizarea unei
prisme din metamaterial pentru microunde
(Costas M Soukoulis este un distins profesor
de fizică al Iowa State University şi senior
fizician la Ames Laboratory Cartea sa
include Photonic Band Gap Materials and
Photonic Crystals and Light Localization in the Twenty-First Century
2006)
Acest cristal fotonic este o Lentilă Veselago-Pendry pentru
microunde cu indice de refactie n = -1 rezoluţie spaţială lt l (Fig16)
Sir John Brian Pendry este un fizician englez cunoscut pentru studiile
sale privind indicele de refracţie El a creat ldquopelerina invizibilităţiirdquo
(Invisibility Cloak) El este acum la catedra de fizică teoretică a stării
solide al Imperial College London Icircn 2006 primeşte Medalia Regală - The
Royal Medal of the Royal Society of London
Fig16
Astăzi s-au realizat metamateriale pentru
infraroşu şi vizibil domeniul optic fiind icircn
plină cercetare pentru realizarea invizibilităţii
17
Metamateriale sunt
bull materiale artificiale caracterizate de proprietăţi (electromagnetice)
care provin din structura acestora şi nu direct din proprietăţile
materialelor care le compun
bull Materiale prezintă anumite caracteristici structurale comparabile ca
dimensiune cu lungimea de undă a radiaţiei electromagnetice cu care
interacţionează
bull metamaterialele ldquostacircngirdquo (ldquoleft handed metamaterialrdquo ndash LHM) - nu
verifică regula măinii drepte astfel icircncacirct viteza de fază şi cea de grup
au sensuri diferite - permitivitatea electrică şi permeabilitatea
magnetică sunt negative
bull Materiale icircn care are loc refracţia negativă un fenomen anormal icircn
electromagnetism pentru care raza refractată este de aceeaşi parte ca
şi raza incidentă
bull Icircn realitate foarte străvechi pentru că le putem considera spre
exemplu sticlele colorate utilizate icircn vitraliile catedralelor
bull şi cristalele fotonice ( Fig17)
Fig17 piatra de opal a brăţării este un cristal fotonic
Ce este cristalul fotonic
Răspuns Cristalul fotonic este un mediu
dielectric periodic 1D 2D sau 3D avacircnd
periodicitatea de ordinul lungimii de undă
18
a undei electromagnetice realizat prin tehnologii de microprelucrare
Principala sa proprietate este structura de benzi fotonice Pentru o undă
monocromatica care se propagă icircntr-un cristal fotonic ideal va exista o
bandă de frecvenţă interzisă (bandgap) indiferent de direcţia undei şi
indiferent de starea de polarizare a undei Lord Rayleigh icircn 1887 a fost
primul care a arătat că se poate obţine o bandă interzisă sau band gap iar
temenul de laquo cristal fotonic raquo nu a fost introdus decacirct icircn 1987 odată cu
apariţia a două articole majore de Eli Yablonovitch şi Sajeev John Icircn
natură pe lacircngă cristalul de opal care are micro bile de siliciu repartizate
aproape uniform cristale fotonice se icircntacirclnesc şi icircn lumea animală la o
specie de vierme marin Afrodita şi la aripile fluturelui Cyanophrys remus ce
posedă o nano- arhitectură complexă la care culorile albastru metalic şi
verde sunt atribuite structurii de cristale fotonice Ele sunt compuse din
chitină şi aer iar aranjamentul formează o structură dielectrică periodică
Una dintre barierele existente icircn telecomunicaţii la ora actuală este
reprezentată de nodurile de procesare care conectează reţelele de fibră
optică noduri necesare pentru routarea informaţiilor La ora actuală nu
există o metoda ieftină şi eficientă ca acest proces sa fie unul icircn totalitate
optic transmisia optică trebuind să fie convertită icircn semnale electrice pentru
a fi procesată de echipamentele de routare după care la loc icircn semnale
optice pentru transmisia mai departe Acest lucru reprezintă o gacirctuire a
fluxului de date deoarece fibra optică poate transmite mult mai multă
informatie (şi mai rapid) decat firele de cupru Aceasta pentru că icircn fibra
optică transmisia este realizată pe lungimi
de undă diferite un fel de separare pe
culori De aceea ideea este de a realiza nişte
cristale fotonice (cu un exemplu de structură
19
ilustrată icircn imagine) care să separe aceste culori diferite de lumina albă şi să
le routeze icircntr-un mod eficient ( Fig18)
Fig18
5 Invizibilitatea
Pacircnă nu demult invizibilitatea ţinea de domeniul fantasticului Se
pare icircnsă că omul invizibil al lui Wells dar şi navele invizibile ale
klingonienilor din Star Trek sunt pe cale să coboare din literatura şi filmele
science-fiction icircn lumea reală Pelerina invizibilităţii este tot mai aproape
de realitate Cercetătorii au realizat două noi tipuri de materiale care reflectă
lumina icircn mod diferit ceea ce aduce mai aproape de realitate dispozitivul
supranumit pelerina invizibilităţii Unul dintre materiale foloseşte o plasă
din straturi metalice care reflectă icircn sens invers direcţia luminii icircn timp ce
20
al doilea foloseşte fire minuscule de argint Componenţa ambelor materiale
poate fi analizată la scară nanometrică Ambele creaţii ale oamenilor de
ştiinţă sunt metamateriale structuri realizate artificial care au proprietăţi ce
nu se icircntacirclnesc icircn natură cum ar fi indicele de refracţie negativ Două echipe
au lucrat separat la elaborarea materialelor
sub conducerea lui Xiang Zhang de la Centrul
de inginerie şi ştiinţă nanometrică din cadrul
Universităţii Berkley California Fiecare
dintre noile materiale are proprietăţi de
reflectare a luminii icircn valuri de lungime
limitată astfel icircncacirct nimeni nu le poate utiliza
pentru a ascunde clădiri de sateliţi a declarat
Jason Valentine membru al uneia dintre echipe De fapt nu ascundem
nimic Nu cred că trebuie să fim icircngrijoraţi de persoane invizibile care să
umble icircn jurul nostru icircn viitorul apropiat Să fiu cinstit suntem abia la
icircnceput icircn ceea ce priveşte cercetările privind invizibilitatea a spus
Valentine Echipa lui Valentine a realizat un material care influenţează
lumina din apropierea spectrului vizibil icircntr-o regiune folosită icircn cadrul
fibrelor optice Icircn materialele naturale indicele de refracţie care măsoară
modul icircn care lumina acţionează icircntr-un mediu este pozitiv a spus el
Atunci cacircnd vezi un peşte icircn apă acesta va apărea icircn faţa poziţiei icircn care se
află de fapt Dacă pui un băţ icircn apă acesta pare să se icircndoaie a precizat el
menţionacircnd că aceste iluzii sunt provocate de modul icircn care lumina se
refractă atunci cacircnd se mişcă icircntre apă şi aer
Icircnconjoară obiectul ce se doreşte invizibil cu un metamaterial (Fig19)care
să deformeze traseul razelor de lumină prin metamaterial ocolind obiectul
şi care să le recombine după obiect aşa cum erau icircnainte de obiect astfel
obiectul nu este vizibil
Fig19
21
Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de
pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns
profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific
cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991
de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru
Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors
niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru
Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea
Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul
timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al
bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici
au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale
cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că
obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci
cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a
spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi
mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu
are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric
vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un
obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a
acestuia
Foarte flexibil dar mai ales ldquoinvizibilrdquo Metaflex face parte din
categoria metamaterialelor capabile sa devieze traiectoria radiaţiilor făcacircnd
invizibile obiectele Metaflex a fost realizat de cercetătorul italian Andrea
22
Di Falco şi echipa lui de la Universitatea St Andrews din Scoţia Metaflex
constituie subiectul proiectului de cercetare icircn cadrul EPSRC( Engineering
and Physical Science Research Council) denumit bdquoMetaflex- materiale pe
straturi optice transparente flexibilerdquo avacircnd ca scop fabricarea
metamaterialelor icircn membrane foarte subţiri şi flexibile După cum au
explicat oamenii de ştiinţă icircntr-un articol publicat icircn New Journal of
Physics incredibila elasticitate a materialului permite imaginarea unor
aplicaţii SF precum hainele icircn măsura să-l facă pe cel care le poartă
invizibil Găsirea unei modalităţi de a ascunde obiecte de lumina vizibilă
este o veche idee fixă de-a oamenilor de ştiinţă Primele succese icircn acest
sens au fost reprezentate de crearea unor materiale cu caracteristici electrice
şi magnetice speciale Aceste metamateriale care au proprietăţile datorită
structurii geometrice a atomilor sunt icircn măsură să facă să treacă o radiaţie
electromagnetică icircn jurul unui obiect Astfel obiectul devine invizibil
deoarece eludează incidenţa şi reflexia radiaţiei Pacircnă astăzi cercetătorii au
reuşit să creeze materiale invizibile la microunde şi raze infraroşii dar nu şi
la lumina vizibilă Dificultatea de a face un obiect transparent la radiaţia
luminoasă stă icircn faptul că trebuie lucrat pe geometrii infinit de mici
capabile să interacţioneze cu lumina care are o lungime de undă de ordinul
a doar cacircteva sute de nanometri Odată depaşită această dificultate
cercetătorii s-au văzut nevoiţi să icircnfrunte o alta proiectarea unui meta-
material care sa nu fie rigid ci flexibil astfel icircncacirct să poată fi utilizat pentru
fabricarea obiectelor elastice Echipa lui Di Falco a reuşit să depăşească şi
acest ultim obstacol obţinacircnd un pătrăţel de cacircţiva centimetri pătraţi şi o
grosime de 4 micrometri care face obiectele transparente la lumina
portocalie Mai rămacircne de văzut dacă aceste caracteristici ale materialului se
modifică atunci cacircnd este icircndoit sau rămacircn neschimbate icircn primul caz
invenţia va deschide calea realizării unei noi clase de lentile icircn al doilea
punerii la punct a unei adevărate pelerine a invizibilităţii Flexibilitatea
23
metaflexului permite proiectarea şi fabricarea unui sistem de camuflaj
deoarece materialul se poate adapta mediului icircnconjurător
Icircn cadrul studiului lor un grup de cercetători germani si englezi
coordonaţi de Tolga Ergin şi Nicolas Stenger de la Institutul de Tehnologie
din Karlsruhe au utilizat mantaua tridimensională pentru a face invizibilă o
protuberanţă de pe o suprafaţă de aur Mantaua este compusă din lentile
speciale asamblate icircntr-o structură polimerică lentile a căror caracteristică
este aceea de a se lega parţial de undele luminoase astfel icircncacirct să icircmpiedice
lumina să se difuzeze Toate structurile de acest gen realizate pacircnă icircn
prezent sunt bidimensionale dar ulterior a demonstrat că poate funcţiona şi
icircn 3D a precizat Ergin Aşa-numitele materiale ale invizibilităţii sunt
nanomateriale cu dimensiuni de ordinul milionimilor de metru Sunt
capabile sa devieze undele luminoase orientacircndu-le icircn jurul unui obiect
pacircnă cacircnd icircl icircnfăşoară ca o găoace aceasta comportacircndu-se de fapt ca o
manta a invizibilităţii
Obiectele pot fi făcute să pară invizibile lungimilor mari de undă
precum cele utilizate de radare dar nu şi acelora mai mici caracteristice
luminii Oamenii de ştiinţă speră să creeze materiale capabile să forţeze
circularea pe lacircngă un obiect a luminii astfel icircncacirct să icircl mascheze icircn faţa
ochiului uman şi să icircl facă practic invizibil Suprafeţele vor putea fi astfel
determinate să manipuleze toate formele de radiaţie cum ar fi lumina
microundele sau radiaţia
terahertziană conducacircnd la potenţiale
aplicaţii icircn medicină securitate şi
comunicaţii Echipele de cercetare
24
sunt coordonate de profesorul Sir John Pendry o autoritate de talie
mondiala icircn fizică de la ICL care a propus pentru prima oară icircn anul 2006
şi de către profesorul Ştefan Maier un vacircrf de lance icircn domeniul
plasmonicii sau tehnologiei undelor electromagnetice
Fig21 Exemplu de camuflaj vizibil Bombardier Stealth (SUA) ndash negru
(absorbant) icircn microunde şi vizibil
6 Bibliografie
Metaflex-mirajul invizibilităţii Revista Evrika nr12 decembrie 2010
George Nemeş Materiale cu indice de refracţie negativ (metamateriale)
Principii fizice si perspective 2005
G V Eleftheriades K G Balmain Negative-Refraction Metamaterials
Fundamental Principles and Applications Wiley Canada 2005
25
C Caloz T Itoh Electromagnetic Metamaterials Transmission Line
Theory and Microwave Applications Wiley Hoboken NJ 2006
Metaflex-primul material cu adevărat invizibil wwwdescoperăro
N Garcia and M Nieto-Vesperinas Phys Rev Lett 88 207403 (2002)
Sergiu Langa şi Ion Tighineanu UNIVERSITATEA TEHNICĂ A
MOLDOVEI FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE vol 1 nr 4 2000
httpwwwstandrewsacuk~ulfinvisibilityhtml
26
- Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de domeniul science fiction a declarat profesorul Milton
- Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991 de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
- Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a acestuia
-
Măsurările electromagnetice ale materialelor propuse de Pendry au
fost realizate de D Smith şi echipa sa de la Universitatea din California
SUA Icircn cazul primului material (cu permitivitatea ε negativă) s-a observat
că există un anumit interval de frecvenţe icircn care toate microundele sunt
reflectate Folosind o noţiune din domeniul cristalelor fotonice putem spune
că acest material are o bandă interzisă pentru un anumit interval de
frecvenţe Este surprinzător faptul că dacă se combină acest material cu
materialul al doilea propus de Pendry undele din acelaşi interval nu mai
sunt reflectate ci transmise de material După un şir de alte experimente
Smith et al au ajuns la concluzia că metamaterialul compus din cele două
materiale propuse de Pendry icircndeplinesc condiţiile formulate de Veselago
pentru ca un material să aibă indicele de refracţie negativ Smith spune că
refracţia negativă observată de ei nu este mică ci din contra poate ajunge
chiar pacircnă la 80deg faţă de normala pe suprafaţa de incidenţă Imediat după
publicarea rezultatelor obţinute de Smith şi colaboratorii săi un alt grup de
cercetători de această dată de la Toronto Canada a anunţat că a reuşit
fabricarea unui material cu proprietăţi asemănătoare dar care are o structură
mult mai simplă decacirct cel investigat de echipa lui Smith Mai mult ca atacirct
Shalaev de la Universitatea din Purdue SUA au propus o structură care ar
permite fabricarea peliculelor subţiri cu indicele de refracţie negativ iar o
echipă din Elveţia a anunţat că este pe cale de a fabrica o structură
tridimensională cu indicele de refracţie negativ
Icircn pofida faptului că au fost publicate multe articole care pretind că a
fost observată experimental refracţia negativă icircn diferite materiale icircn lume
există cercetători care continuă să creadă că aşa ceva este contrar legilor
naturii şi că toate măsurătorile efectuate pacircnă acum nu sunt decicirct nişte
bdquoartefacterdquo experimentale W Kohn de la Universitatea din California
14
SUA spune ldquoMaterialele cu indice de refracţie negativ reprezintă o idee
genială icircnsă nu aş fi surprins dacă nu s-ar găsi multe aplicaţii ale acestor
materialerdquo Este suficient să ne aducem aminte că imediat după inventarea
laserului comunitatea ştiinţifică a fost surprinsă că s-a lucrat atacirct de mult
pentru a-l obţine iar aplicaţiile momentane ale laserului erau atacirct de
limitate Astăzi aplicaţiile laserului sunt atacirct de diverse şi multiple icircncacirct
este greu să ţi le imaginezi Să sperăm că istoria se va repeta şi icircn cazul
materialelor cu indicele de refracţie negativ
Pentru ca indicele de refracţie n să fie o mărime care să aibă
semnificaţie fizică (să existe) este nevoie de material omogen sau cvasi-
omogen (scala spaţială aneomogenităţilor periodice p să fie p ltlt l sau p lt
l4 ) Exemple de materiale omogene pentru lumina vizibilă (500 nm) sunt
gaze lichide solide transparente Exemple de neomogenităţi neglijabile
pentru lumina vizibilă sunt atomi molecule unde diametre atomice sunt
001 nm ndash 01 nm iar dimensiunile legăturilor atomice sunt 01 nm ndash 02
nm (legătura C-C 0154 nm hexagon benzen 0280 nm) diametrul
moleculei de ulei asymp 20 nm - 25 nm De comparat cu lungimea de undă icircn
vizibil λ asymp 500 nm
Exemple de structuri periodice Pendry
15
Fig13
(a) Tije metalice (ε lt 0 pt E II z) (b) Inele icircntrerupte (micro lt 0 pt H II y)
Icircn ambele cazuri p ltlt l
Primele experimente au fost realizate cu metamaterial cu n lt 0 icircn
microunde (J B Pendry D R Smith Phys Today June 2004)
(a) Structura rezonantă inele icircntrerupte şi tije
metalice (sacircrme vizibile icircn spatele suporţilor
verticali)
(b) Banda spectrală pentru εr lt 0 şi micror lt 0
(c) Spectrul de putere transmisă numai tije
metalice verde numai inele icircntrerupte
albastru ambele roşu transmisie =
propagare
Fig14
Icircn topul descoperirilor pentru Nobel 2010 a fost şi cel oferit pentru
predicţia descoperirea şi dezvoltarea metamaterialelor negative - (Victor
Veselago John Pendry David Smith Xiang Zhang Sheldon Schultz Ulf
Leonhardt) Metamateriale sunt compuse
din componente mici cum ar fi inele mici si
tije Ele produc efecte optice noi
Refracţia negativă in microunde (J B
Pendry D R Smith Phys Today June
2004)
16
(a) Prismă cu n lt 0 simulare
(b) Prismă cu n gt 0 (teflon) simulare
(c) Experiment prismă metamaterial n lt 0
(d) Experiment prismă teflon
Fig15
Progrese icircn microunde prin realizarea unei
prisme din metamaterial pentru microunde
(Costas M Soukoulis este un distins profesor
de fizică al Iowa State University şi senior
fizician la Ames Laboratory Cartea sa
include Photonic Band Gap Materials and
Photonic Crystals and Light Localization in the Twenty-First Century
2006)
Acest cristal fotonic este o Lentilă Veselago-Pendry pentru
microunde cu indice de refactie n = -1 rezoluţie spaţială lt l (Fig16)
Sir John Brian Pendry este un fizician englez cunoscut pentru studiile
sale privind indicele de refracţie El a creat ldquopelerina invizibilităţiirdquo
(Invisibility Cloak) El este acum la catedra de fizică teoretică a stării
solide al Imperial College London Icircn 2006 primeşte Medalia Regală - The
Royal Medal of the Royal Society of London
Fig16
Astăzi s-au realizat metamateriale pentru
infraroşu şi vizibil domeniul optic fiind icircn
plină cercetare pentru realizarea invizibilităţii
17
Metamateriale sunt
bull materiale artificiale caracterizate de proprietăţi (electromagnetice)
care provin din structura acestora şi nu direct din proprietăţile
materialelor care le compun
bull Materiale prezintă anumite caracteristici structurale comparabile ca
dimensiune cu lungimea de undă a radiaţiei electromagnetice cu care
interacţionează
bull metamaterialele ldquostacircngirdquo (ldquoleft handed metamaterialrdquo ndash LHM) - nu
verifică regula măinii drepte astfel icircncacirct viteza de fază şi cea de grup
au sensuri diferite - permitivitatea electrică şi permeabilitatea
magnetică sunt negative
bull Materiale icircn care are loc refracţia negativă un fenomen anormal icircn
electromagnetism pentru care raza refractată este de aceeaşi parte ca
şi raza incidentă
bull Icircn realitate foarte străvechi pentru că le putem considera spre
exemplu sticlele colorate utilizate icircn vitraliile catedralelor
bull şi cristalele fotonice ( Fig17)
Fig17 piatra de opal a brăţării este un cristal fotonic
Ce este cristalul fotonic
Răspuns Cristalul fotonic este un mediu
dielectric periodic 1D 2D sau 3D avacircnd
periodicitatea de ordinul lungimii de undă
18
a undei electromagnetice realizat prin tehnologii de microprelucrare
Principala sa proprietate este structura de benzi fotonice Pentru o undă
monocromatica care se propagă icircntr-un cristal fotonic ideal va exista o
bandă de frecvenţă interzisă (bandgap) indiferent de direcţia undei şi
indiferent de starea de polarizare a undei Lord Rayleigh icircn 1887 a fost
primul care a arătat că se poate obţine o bandă interzisă sau band gap iar
temenul de laquo cristal fotonic raquo nu a fost introdus decacirct icircn 1987 odată cu
apariţia a două articole majore de Eli Yablonovitch şi Sajeev John Icircn
natură pe lacircngă cristalul de opal care are micro bile de siliciu repartizate
aproape uniform cristale fotonice se icircntacirclnesc şi icircn lumea animală la o
specie de vierme marin Afrodita şi la aripile fluturelui Cyanophrys remus ce
posedă o nano- arhitectură complexă la care culorile albastru metalic şi
verde sunt atribuite structurii de cristale fotonice Ele sunt compuse din
chitină şi aer iar aranjamentul formează o structură dielectrică periodică
Una dintre barierele existente icircn telecomunicaţii la ora actuală este
reprezentată de nodurile de procesare care conectează reţelele de fibră
optică noduri necesare pentru routarea informaţiilor La ora actuală nu
există o metoda ieftină şi eficientă ca acest proces sa fie unul icircn totalitate
optic transmisia optică trebuind să fie convertită icircn semnale electrice pentru
a fi procesată de echipamentele de routare după care la loc icircn semnale
optice pentru transmisia mai departe Acest lucru reprezintă o gacirctuire a
fluxului de date deoarece fibra optică poate transmite mult mai multă
informatie (şi mai rapid) decat firele de cupru Aceasta pentru că icircn fibra
optică transmisia este realizată pe lungimi
de undă diferite un fel de separare pe
culori De aceea ideea este de a realiza nişte
cristale fotonice (cu un exemplu de structură
19
ilustrată icircn imagine) care să separe aceste culori diferite de lumina albă şi să
le routeze icircntr-un mod eficient ( Fig18)
Fig18
5 Invizibilitatea
Pacircnă nu demult invizibilitatea ţinea de domeniul fantasticului Se
pare icircnsă că omul invizibil al lui Wells dar şi navele invizibile ale
klingonienilor din Star Trek sunt pe cale să coboare din literatura şi filmele
science-fiction icircn lumea reală Pelerina invizibilităţii este tot mai aproape
de realitate Cercetătorii au realizat două noi tipuri de materiale care reflectă
lumina icircn mod diferit ceea ce aduce mai aproape de realitate dispozitivul
supranumit pelerina invizibilităţii Unul dintre materiale foloseşte o plasă
din straturi metalice care reflectă icircn sens invers direcţia luminii icircn timp ce
20
al doilea foloseşte fire minuscule de argint Componenţa ambelor materiale
poate fi analizată la scară nanometrică Ambele creaţii ale oamenilor de
ştiinţă sunt metamateriale structuri realizate artificial care au proprietăţi ce
nu se icircntacirclnesc icircn natură cum ar fi indicele de refracţie negativ Două echipe
au lucrat separat la elaborarea materialelor
sub conducerea lui Xiang Zhang de la Centrul
de inginerie şi ştiinţă nanometrică din cadrul
Universităţii Berkley California Fiecare
dintre noile materiale are proprietăţi de
reflectare a luminii icircn valuri de lungime
limitată astfel icircncacirct nimeni nu le poate utiliza
pentru a ascunde clădiri de sateliţi a declarat
Jason Valentine membru al uneia dintre echipe De fapt nu ascundem
nimic Nu cred că trebuie să fim icircngrijoraţi de persoane invizibile care să
umble icircn jurul nostru icircn viitorul apropiat Să fiu cinstit suntem abia la
icircnceput icircn ceea ce priveşte cercetările privind invizibilitatea a spus
Valentine Echipa lui Valentine a realizat un material care influenţează
lumina din apropierea spectrului vizibil icircntr-o regiune folosită icircn cadrul
fibrelor optice Icircn materialele naturale indicele de refracţie care măsoară
modul icircn care lumina acţionează icircntr-un mediu este pozitiv a spus el
Atunci cacircnd vezi un peşte icircn apă acesta va apărea icircn faţa poziţiei icircn care se
află de fapt Dacă pui un băţ icircn apă acesta pare să se icircndoaie a precizat el
menţionacircnd că aceste iluzii sunt provocate de modul icircn care lumina se
refractă atunci cacircnd se mişcă icircntre apă şi aer
Icircnconjoară obiectul ce se doreşte invizibil cu un metamaterial (Fig19)care
să deformeze traseul razelor de lumină prin metamaterial ocolind obiectul
şi care să le recombine după obiect aşa cum erau icircnainte de obiect astfel
obiectul nu este vizibil
Fig19
21
Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de
pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns
profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific
cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991
de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru
Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors
niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru
Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea
Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul
timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al
bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici
au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale
cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că
obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci
cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a
spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi
mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu
are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric
vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un
obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a
acestuia
Foarte flexibil dar mai ales ldquoinvizibilrdquo Metaflex face parte din
categoria metamaterialelor capabile sa devieze traiectoria radiaţiilor făcacircnd
invizibile obiectele Metaflex a fost realizat de cercetătorul italian Andrea
22
Di Falco şi echipa lui de la Universitatea St Andrews din Scoţia Metaflex
constituie subiectul proiectului de cercetare icircn cadrul EPSRC( Engineering
and Physical Science Research Council) denumit bdquoMetaflex- materiale pe
straturi optice transparente flexibilerdquo avacircnd ca scop fabricarea
metamaterialelor icircn membrane foarte subţiri şi flexibile După cum au
explicat oamenii de ştiinţă icircntr-un articol publicat icircn New Journal of
Physics incredibila elasticitate a materialului permite imaginarea unor
aplicaţii SF precum hainele icircn măsura să-l facă pe cel care le poartă
invizibil Găsirea unei modalităţi de a ascunde obiecte de lumina vizibilă
este o veche idee fixă de-a oamenilor de ştiinţă Primele succese icircn acest
sens au fost reprezentate de crearea unor materiale cu caracteristici electrice
şi magnetice speciale Aceste metamateriale care au proprietăţile datorită
structurii geometrice a atomilor sunt icircn măsură să facă să treacă o radiaţie
electromagnetică icircn jurul unui obiect Astfel obiectul devine invizibil
deoarece eludează incidenţa şi reflexia radiaţiei Pacircnă astăzi cercetătorii au
reuşit să creeze materiale invizibile la microunde şi raze infraroşii dar nu şi
la lumina vizibilă Dificultatea de a face un obiect transparent la radiaţia
luminoasă stă icircn faptul că trebuie lucrat pe geometrii infinit de mici
capabile să interacţioneze cu lumina care are o lungime de undă de ordinul
a doar cacircteva sute de nanometri Odată depaşită această dificultate
cercetătorii s-au văzut nevoiţi să icircnfrunte o alta proiectarea unui meta-
material care sa nu fie rigid ci flexibil astfel icircncacirct să poată fi utilizat pentru
fabricarea obiectelor elastice Echipa lui Di Falco a reuşit să depăşească şi
acest ultim obstacol obţinacircnd un pătrăţel de cacircţiva centimetri pătraţi şi o
grosime de 4 micrometri care face obiectele transparente la lumina
portocalie Mai rămacircne de văzut dacă aceste caracteristici ale materialului se
modifică atunci cacircnd este icircndoit sau rămacircn neschimbate icircn primul caz
invenţia va deschide calea realizării unei noi clase de lentile icircn al doilea
punerii la punct a unei adevărate pelerine a invizibilităţii Flexibilitatea
23
metaflexului permite proiectarea şi fabricarea unui sistem de camuflaj
deoarece materialul se poate adapta mediului icircnconjurător
Icircn cadrul studiului lor un grup de cercetători germani si englezi
coordonaţi de Tolga Ergin şi Nicolas Stenger de la Institutul de Tehnologie
din Karlsruhe au utilizat mantaua tridimensională pentru a face invizibilă o
protuberanţă de pe o suprafaţă de aur Mantaua este compusă din lentile
speciale asamblate icircntr-o structură polimerică lentile a căror caracteristică
este aceea de a se lega parţial de undele luminoase astfel icircncacirct să icircmpiedice
lumina să se difuzeze Toate structurile de acest gen realizate pacircnă icircn
prezent sunt bidimensionale dar ulterior a demonstrat că poate funcţiona şi
icircn 3D a precizat Ergin Aşa-numitele materiale ale invizibilităţii sunt
nanomateriale cu dimensiuni de ordinul milionimilor de metru Sunt
capabile sa devieze undele luminoase orientacircndu-le icircn jurul unui obiect
pacircnă cacircnd icircl icircnfăşoară ca o găoace aceasta comportacircndu-se de fapt ca o
manta a invizibilităţii
Obiectele pot fi făcute să pară invizibile lungimilor mari de undă
precum cele utilizate de radare dar nu şi acelora mai mici caracteristice
luminii Oamenii de ştiinţă speră să creeze materiale capabile să forţeze
circularea pe lacircngă un obiect a luminii astfel icircncacirct să icircl mascheze icircn faţa
ochiului uman şi să icircl facă practic invizibil Suprafeţele vor putea fi astfel
determinate să manipuleze toate formele de radiaţie cum ar fi lumina
microundele sau radiaţia
terahertziană conducacircnd la potenţiale
aplicaţii icircn medicină securitate şi
comunicaţii Echipele de cercetare
24
sunt coordonate de profesorul Sir John Pendry o autoritate de talie
mondiala icircn fizică de la ICL care a propus pentru prima oară icircn anul 2006
şi de către profesorul Ştefan Maier un vacircrf de lance icircn domeniul
plasmonicii sau tehnologiei undelor electromagnetice
Fig21 Exemplu de camuflaj vizibil Bombardier Stealth (SUA) ndash negru
(absorbant) icircn microunde şi vizibil
6 Bibliografie
Metaflex-mirajul invizibilităţii Revista Evrika nr12 decembrie 2010
George Nemeş Materiale cu indice de refracţie negativ (metamateriale)
Principii fizice si perspective 2005
G V Eleftheriades K G Balmain Negative-Refraction Metamaterials
Fundamental Principles and Applications Wiley Canada 2005
25
C Caloz T Itoh Electromagnetic Metamaterials Transmission Line
Theory and Microwave Applications Wiley Hoboken NJ 2006
Metaflex-primul material cu adevărat invizibil wwwdescoperăro
N Garcia and M Nieto-Vesperinas Phys Rev Lett 88 207403 (2002)
Sergiu Langa şi Ion Tighineanu UNIVERSITATEA TEHNICĂ A
MOLDOVEI FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE vol 1 nr 4 2000
httpwwwstandrewsacuk~ulfinvisibilityhtml
26
- Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de domeniul science fiction a declarat profesorul Milton
- Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991 de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
- Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a acestuia
-
SUA spune ldquoMaterialele cu indice de refracţie negativ reprezintă o idee
genială icircnsă nu aş fi surprins dacă nu s-ar găsi multe aplicaţii ale acestor
materialerdquo Este suficient să ne aducem aminte că imediat după inventarea
laserului comunitatea ştiinţifică a fost surprinsă că s-a lucrat atacirct de mult
pentru a-l obţine iar aplicaţiile momentane ale laserului erau atacirct de
limitate Astăzi aplicaţiile laserului sunt atacirct de diverse şi multiple icircncacirct
este greu să ţi le imaginezi Să sperăm că istoria se va repeta şi icircn cazul
materialelor cu indicele de refracţie negativ
Pentru ca indicele de refracţie n să fie o mărime care să aibă
semnificaţie fizică (să existe) este nevoie de material omogen sau cvasi-
omogen (scala spaţială aneomogenităţilor periodice p să fie p ltlt l sau p lt
l4 ) Exemple de materiale omogene pentru lumina vizibilă (500 nm) sunt
gaze lichide solide transparente Exemple de neomogenităţi neglijabile
pentru lumina vizibilă sunt atomi molecule unde diametre atomice sunt
001 nm ndash 01 nm iar dimensiunile legăturilor atomice sunt 01 nm ndash 02
nm (legătura C-C 0154 nm hexagon benzen 0280 nm) diametrul
moleculei de ulei asymp 20 nm - 25 nm De comparat cu lungimea de undă icircn
vizibil λ asymp 500 nm
Exemple de structuri periodice Pendry
15
Fig13
(a) Tije metalice (ε lt 0 pt E II z) (b) Inele icircntrerupte (micro lt 0 pt H II y)
Icircn ambele cazuri p ltlt l
Primele experimente au fost realizate cu metamaterial cu n lt 0 icircn
microunde (J B Pendry D R Smith Phys Today June 2004)
(a) Structura rezonantă inele icircntrerupte şi tije
metalice (sacircrme vizibile icircn spatele suporţilor
verticali)
(b) Banda spectrală pentru εr lt 0 şi micror lt 0
(c) Spectrul de putere transmisă numai tije
metalice verde numai inele icircntrerupte
albastru ambele roşu transmisie =
propagare
Fig14
Icircn topul descoperirilor pentru Nobel 2010 a fost şi cel oferit pentru
predicţia descoperirea şi dezvoltarea metamaterialelor negative - (Victor
Veselago John Pendry David Smith Xiang Zhang Sheldon Schultz Ulf
Leonhardt) Metamateriale sunt compuse
din componente mici cum ar fi inele mici si
tije Ele produc efecte optice noi
Refracţia negativă in microunde (J B
Pendry D R Smith Phys Today June
2004)
16
(a) Prismă cu n lt 0 simulare
(b) Prismă cu n gt 0 (teflon) simulare
(c) Experiment prismă metamaterial n lt 0
(d) Experiment prismă teflon
Fig15
Progrese icircn microunde prin realizarea unei
prisme din metamaterial pentru microunde
(Costas M Soukoulis este un distins profesor
de fizică al Iowa State University şi senior
fizician la Ames Laboratory Cartea sa
include Photonic Band Gap Materials and
Photonic Crystals and Light Localization in the Twenty-First Century
2006)
Acest cristal fotonic este o Lentilă Veselago-Pendry pentru
microunde cu indice de refactie n = -1 rezoluţie spaţială lt l (Fig16)
Sir John Brian Pendry este un fizician englez cunoscut pentru studiile
sale privind indicele de refracţie El a creat ldquopelerina invizibilităţiirdquo
(Invisibility Cloak) El este acum la catedra de fizică teoretică a stării
solide al Imperial College London Icircn 2006 primeşte Medalia Regală - The
Royal Medal of the Royal Society of London
Fig16
Astăzi s-au realizat metamateriale pentru
infraroşu şi vizibil domeniul optic fiind icircn
plină cercetare pentru realizarea invizibilităţii
17
Metamateriale sunt
bull materiale artificiale caracterizate de proprietăţi (electromagnetice)
care provin din structura acestora şi nu direct din proprietăţile
materialelor care le compun
bull Materiale prezintă anumite caracteristici structurale comparabile ca
dimensiune cu lungimea de undă a radiaţiei electromagnetice cu care
interacţionează
bull metamaterialele ldquostacircngirdquo (ldquoleft handed metamaterialrdquo ndash LHM) - nu
verifică regula măinii drepte astfel icircncacirct viteza de fază şi cea de grup
au sensuri diferite - permitivitatea electrică şi permeabilitatea
magnetică sunt negative
bull Materiale icircn care are loc refracţia negativă un fenomen anormal icircn
electromagnetism pentru care raza refractată este de aceeaşi parte ca
şi raza incidentă
bull Icircn realitate foarte străvechi pentru că le putem considera spre
exemplu sticlele colorate utilizate icircn vitraliile catedralelor
bull şi cristalele fotonice ( Fig17)
Fig17 piatra de opal a brăţării este un cristal fotonic
Ce este cristalul fotonic
Răspuns Cristalul fotonic este un mediu
dielectric periodic 1D 2D sau 3D avacircnd
periodicitatea de ordinul lungimii de undă
18
a undei electromagnetice realizat prin tehnologii de microprelucrare
Principala sa proprietate este structura de benzi fotonice Pentru o undă
monocromatica care se propagă icircntr-un cristal fotonic ideal va exista o
bandă de frecvenţă interzisă (bandgap) indiferent de direcţia undei şi
indiferent de starea de polarizare a undei Lord Rayleigh icircn 1887 a fost
primul care a arătat că se poate obţine o bandă interzisă sau band gap iar
temenul de laquo cristal fotonic raquo nu a fost introdus decacirct icircn 1987 odată cu
apariţia a două articole majore de Eli Yablonovitch şi Sajeev John Icircn
natură pe lacircngă cristalul de opal care are micro bile de siliciu repartizate
aproape uniform cristale fotonice se icircntacirclnesc şi icircn lumea animală la o
specie de vierme marin Afrodita şi la aripile fluturelui Cyanophrys remus ce
posedă o nano- arhitectură complexă la care culorile albastru metalic şi
verde sunt atribuite structurii de cristale fotonice Ele sunt compuse din
chitină şi aer iar aranjamentul formează o structură dielectrică periodică
Una dintre barierele existente icircn telecomunicaţii la ora actuală este
reprezentată de nodurile de procesare care conectează reţelele de fibră
optică noduri necesare pentru routarea informaţiilor La ora actuală nu
există o metoda ieftină şi eficientă ca acest proces sa fie unul icircn totalitate
optic transmisia optică trebuind să fie convertită icircn semnale electrice pentru
a fi procesată de echipamentele de routare după care la loc icircn semnale
optice pentru transmisia mai departe Acest lucru reprezintă o gacirctuire a
fluxului de date deoarece fibra optică poate transmite mult mai multă
informatie (şi mai rapid) decat firele de cupru Aceasta pentru că icircn fibra
optică transmisia este realizată pe lungimi
de undă diferite un fel de separare pe
culori De aceea ideea este de a realiza nişte
cristale fotonice (cu un exemplu de structură
19
ilustrată icircn imagine) care să separe aceste culori diferite de lumina albă şi să
le routeze icircntr-un mod eficient ( Fig18)
Fig18
5 Invizibilitatea
Pacircnă nu demult invizibilitatea ţinea de domeniul fantasticului Se
pare icircnsă că omul invizibil al lui Wells dar şi navele invizibile ale
klingonienilor din Star Trek sunt pe cale să coboare din literatura şi filmele
science-fiction icircn lumea reală Pelerina invizibilităţii este tot mai aproape
de realitate Cercetătorii au realizat două noi tipuri de materiale care reflectă
lumina icircn mod diferit ceea ce aduce mai aproape de realitate dispozitivul
supranumit pelerina invizibilităţii Unul dintre materiale foloseşte o plasă
din straturi metalice care reflectă icircn sens invers direcţia luminii icircn timp ce
20
al doilea foloseşte fire minuscule de argint Componenţa ambelor materiale
poate fi analizată la scară nanometrică Ambele creaţii ale oamenilor de
ştiinţă sunt metamateriale structuri realizate artificial care au proprietăţi ce
nu se icircntacirclnesc icircn natură cum ar fi indicele de refracţie negativ Două echipe
au lucrat separat la elaborarea materialelor
sub conducerea lui Xiang Zhang de la Centrul
de inginerie şi ştiinţă nanometrică din cadrul
Universităţii Berkley California Fiecare
dintre noile materiale are proprietăţi de
reflectare a luminii icircn valuri de lungime
limitată astfel icircncacirct nimeni nu le poate utiliza
pentru a ascunde clădiri de sateliţi a declarat
Jason Valentine membru al uneia dintre echipe De fapt nu ascundem
nimic Nu cred că trebuie să fim icircngrijoraţi de persoane invizibile care să
umble icircn jurul nostru icircn viitorul apropiat Să fiu cinstit suntem abia la
icircnceput icircn ceea ce priveşte cercetările privind invizibilitatea a spus
Valentine Echipa lui Valentine a realizat un material care influenţează
lumina din apropierea spectrului vizibil icircntr-o regiune folosită icircn cadrul
fibrelor optice Icircn materialele naturale indicele de refracţie care măsoară
modul icircn care lumina acţionează icircntr-un mediu este pozitiv a spus el
Atunci cacircnd vezi un peşte icircn apă acesta va apărea icircn faţa poziţiei icircn care se
află de fapt Dacă pui un băţ icircn apă acesta pare să se icircndoaie a precizat el
menţionacircnd că aceste iluzii sunt provocate de modul icircn care lumina se
refractă atunci cacircnd se mişcă icircntre apă şi aer
Icircnconjoară obiectul ce se doreşte invizibil cu un metamaterial (Fig19)care
să deformeze traseul razelor de lumină prin metamaterial ocolind obiectul
şi care să le recombine după obiect aşa cum erau icircnainte de obiect astfel
obiectul nu este vizibil
Fig19
21
Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de
pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns
profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific
cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991
de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru
Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors
niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru
Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea
Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul
timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al
bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici
au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale
cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că
obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci
cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a
spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi
mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu
are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric
vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un
obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a
acestuia
Foarte flexibil dar mai ales ldquoinvizibilrdquo Metaflex face parte din
categoria metamaterialelor capabile sa devieze traiectoria radiaţiilor făcacircnd
invizibile obiectele Metaflex a fost realizat de cercetătorul italian Andrea
22
Di Falco şi echipa lui de la Universitatea St Andrews din Scoţia Metaflex
constituie subiectul proiectului de cercetare icircn cadrul EPSRC( Engineering
and Physical Science Research Council) denumit bdquoMetaflex- materiale pe
straturi optice transparente flexibilerdquo avacircnd ca scop fabricarea
metamaterialelor icircn membrane foarte subţiri şi flexibile După cum au
explicat oamenii de ştiinţă icircntr-un articol publicat icircn New Journal of
Physics incredibila elasticitate a materialului permite imaginarea unor
aplicaţii SF precum hainele icircn măsura să-l facă pe cel care le poartă
invizibil Găsirea unei modalităţi de a ascunde obiecte de lumina vizibilă
este o veche idee fixă de-a oamenilor de ştiinţă Primele succese icircn acest
sens au fost reprezentate de crearea unor materiale cu caracteristici electrice
şi magnetice speciale Aceste metamateriale care au proprietăţile datorită
structurii geometrice a atomilor sunt icircn măsură să facă să treacă o radiaţie
electromagnetică icircn jurul unui obiect Astfel obiectul devine invizibil
deoarece eludează incidenţa şi reflexia radiaţiei Pacircnă astăzi cercetătorii au
reuşit să creeze materiale invizibile la microunde şi raze infraroşii dar nu şi
la lumina vizibilă Dificultatea de a face un obiect transparent la radiaţia
luminoasă stă icircn faptul că trebuie lucrat pe geometrii infinit de mici
capabile să interacţioneze cu lumina care are o lungime de undă de ordinul
a doar cacircteva sute de nanometri Odată depaşită această dificultate
cercetătorii s-au văzut nevoiţi să icircnfrunte o alta proiectarea unui meta-
material care sa nu fie rigid ci flexibil astfel icircncacirct să poată fi utilizat pentru
fabricarea obiectelor elastice Echipa lui Di Falco a reuşit să depăşească şi
acest ultim obstacol obţinacircnd un pătrăţel de cacircţiva centimetri pătraţi şi o
grosime de 4 micrometri care face obiectele transparente la lumina
portocalie Mai rămacircne de văzut dacă aceste caracteristici ale materialului se
modifică atunci cacircnd este icircndoit sau rămacircn neschimbate icircn primul caz
invenţia va deschide calea realizării unei noi clase de lentile icircn al doilea
punerii la punct a unei adevărate pelerine a invizibilităţii Flexibilitatea
23
metaflexului permite proiectarea şi fabricarea unui sistem de camuflaj
deoarece materialul se poate adapta mediului icircnconjurător
Icircn cadrul studiului lor un grup de cercetători germani si englezi
coordonaţi de Tolga Ergin şi Nicolas Stenger de la Institutul de Tehnologie
din Karlsruhe au utilizat mantaua tridimensională pentru a face invizibilă o
protuberanţă de pe o suprafaţă de aur Mantaua este compusă din lentile
speciale asamblate icircntr-o structură polimerică lentile a căror caracteristică
este aceea de a se lega parţial de undele luminoase astfel icircncacirct să icircmpiedice
lumina să se difuzeze Toate structurile de acest gen realizate pacircnă icircn
prezent sunt bidimensionale dar ulterior a demonstrat că poate funcţiona şi
icircn 3D a precizat Ergin Aşa-numitele materiale ale invizibilităţii sunt
nanomateriale cu dimensiuni de ordinul milionimilor de metru Sunt
capabile sa devieze undele luminoase orientacircndu-le icircn jurul unui obiect
pacircnă cacircnd icircl icircnfăşoară ca o găoace aceasta comportacircndu-se de fapt ca o
manta a invizibilităţii
Obiectele pot fi făcute să pară invizibile lungimilor mari de undă
precum cele utilizate de radare dar nu şi acelora mai mici caracteristice
luminii Oamenii de ştiinţă speră să creeze materiale capabile să forţeze
circularea pe lacircngă un obiect a luminii astfel icircncacirct să icircl mascheze icircn faţa
ochiului uman şi să icircl facă practic invizibil Suprafeţele vor putea fi astfel
determinate să manipuleze toate formele de radiaţie cum ar fi lumina
microundele sau radiaţia
terahertziană conducacircnd la potenţiale
aplicaţii icircn medicină securitate şi
comunicaţii Echipele de cercetare
24
sunt coordonate de profesorul Sir John Pendry o autoritate de talie
mondiala icircn fizică de la ICL care a propus pentru prima oară icircn anul 2006
şi de către profesorul Ştefan Maier un vacircrf de lance icircn domeniul
plasmonicii sau tehnologiei undelor electromagnetice
Fig21 Exemplu de camuflaj vizibil Bombardier Stealth (SUA) ndash negru
(absorbant) icircn microunde şi vizibil
6 Bibliografie
Metaflex-mirajul invizibilităţii Revista Evrika nr12 decembrie 2010
George Nemeş Materiale cu indice de refracţie negativ (metamateriale)
Principii fizice si perspective 2005
G V Eleftheriades K G Balmain Negative-Refraction Metamaterials
Fundamental Principles and Applications Wiley Canada 2005
25
C Caloz T Itoh Electromagnetic Metamaterials Transmission Line
Theory and Microwave Applications Wiley Hoboken NJ 2006
Metaflex-primul material cu adevărat invizibil wwwdescoperăro
N Garcia and M Nieto-Vesperinas Phys Rev Lett 88 207403 (2002)
Sergiu Langa şi Ion Tighineanu UNIVERSITATEA TEHNICĂ A
MOLDOVEI FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE vol 1 nr 4 2000
httpwwwstandrewsacuk~ulfinvisibilityhtml
26
- Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de domeniul science fiction a declarat profesorul Milton
- Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991 de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
- Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a acestuia
-
Fig13
(a) Tije metalice (ε lt 0 pt E II z) (b) Inele icircntrerupte (micro lt 0 pt H II y)
Icircn ambele cazuri p ltlt l
Primele experimente au fost realizate cu metamaterial cu n lt 0 icircn
microunde (J B Pendry D R Smith Phys Today June 2004)
(a) Structura rezonantă inele icircntrerupte şi tije
metalice (sacircrme vizibile icircn spatele suporţilor
verticali)
(b) Banda spectrală pentru εr lt 0 şi micror lt 0
(c) Spectrul de putere transmisă numai tije
metalice verde numai inele icircntrerupte
albastru ambele roşu transmisie =
propagare
Fig14
Icircn topul descoperirilor pentru Nobel 2010 a fost şi cel oferit pentru
predicţia descoperirea şi dezvoltarea metamaterialelor negative - (Victor
Veselago John Pendry David Smith Xiang Zhang Sheldon Schultz Ulf
Leonhardt) Metamateriale sunt compuse
din componente mici cum ar fi inele mici si
tije Ele produc efecte optice noi
Refracţia negativă in microunde (J B
Pendry D R Smith Phys Today June
2004)
16
(a) Prismă cu n lt 0 simulare
(b) Prismă cu n gt 0 (teflon) simulare
(c) Experiment prismă metamaterial n lt 0
(d) Experiment prismă teflon
Fig15
Progrese icircn microunde prin realizarea unei
prisme din metamaterial pentru microunde
(Costas M Soukoulis este un distins profesor
de fizică al Iowa State University şi senior
fizician la Ames Laboratory Cartea sa
include Photonic Band Gap Materials and
Photonic Crystals and Light Localization in the Twenty-First Century
2006)
Acest cristal fotonic este o Lentilă Veselago-Pendry pentru
microunde cu indice de refactie n = -1 rezoluţie spaţială lt l (Fig16)
Sir John Brian Pendry este un fizician englez cunoscut pentru studiile
sale privind indicele de refracţie El a creat ldquopelerina invizibilităţiirdquo
(Invisibility Cloak) El este acum la catedra de fizică teoretică a stării
solide al Imperial College London Icircn 2006 primeşte Medalia Regală - The
Royal Medal of the Royal Society of London
Fig16
Astăzi s-au realizat metamateriale pentru
infraroşu şi vizibil domeniul optic fiind icircn
plină cercetare pentru realizarea invizibilităţii
17
Metamateriale sunt
bull materiale artificiale caracterizate de proprietăţi (electromagnetice)
care provin din structura acestora şi nu direct din proprietăţile
materialelor care le compun
bull Materiale prezintă anumite caracteristici structurale comparabile ca
dimensiune cu lungimea de undă a radiaţiei electromagnetice cu care
interacţionează
bull metamaterialele ldquostacircngirdquo (ldquoleft handed metamaterialrdquo ndash LHM) - nu
verifică regula măinii drepte astfel icircncacirct viteza de fază şi cea de grup
au sensuri diferite - permitivitatea electrică şi permeabilitatea
magnetică sunt negative
bull Materiale icircn care are loc refracţia negativă un fenomen anormal icircn
electromagnetism pentru care raza refractată este de aceeaşi parte ca
şi raza incidentă
bull Icircn realitate foarte străvechi pentru că le putem considera spre
exemplu sticlele colorate utilizate icircn vitraliile catedralelor
bull şi cristalele fotonice ( Fig17)
Fig17 piatra de opal a brăţării este un cristal fotonic
Ce este cristalul fotonic
Răspuns Cristalul fotonic este un mediu
dielectric periodic 1D 2D sau 3D avacircnd
periodicitatea de ordinul lungimii de undă
18
a undei electromagnetice realizat prin tehnologii de microprelucrare
Principala sa proprietate este structura de benzi fotonice Pentru o undă
monocromatica care se propagă icircntr-un cristal fotonic ideal va exista o
bandă de frecvenţă interzisă (bandgap) indiferent de direcţia undei şi
indiferent de starea de polarizare a undei Lord Rayleigh icircn 1887 a fost
primul care a arătat că se poate obţine o bandă interzisă sau band gap iar
temenul de laquo cristal fotonic raquo nu a fost introdus decacirct icircn 1987 odată cu
apariţia a două articole majore de Eli Yablonovitch şi Sajeev John Icircn
natură pe lacircngă cristalul de opal care are micro bile de siliciu repartizate
aproape uniform cristale fotonice se icircntacirclnesc şi icircn lumea animală la o
specie de vierme marin Afrodita şi la aripile fluturelui Cyanophrys remus ce
posedă o nano- arhitectură complexă la care culorile albastru metalic şi
verde sunt atribuite structurii de cristale fotonice Ele sunt compuse din
chitină şi aer iar aranjamentul formează o structură dielectrică periodică
Una dintre barierele existente icircn telecomunicaţii la ora actuală este
reprezentată de nodurile de procesare care conectează reţelele de fibră
optică noduri necesare pentru routarea informaţiilor La ora actuală nu
există o metoda ieftină şi eficientă ca acest proces sa fie unul icircn totalitate
optic transmisia optică trebuind să fie convertită icircn semnale electrice pentru
a fi procesată de echipamentele de routare după care la loc icircn semnale
optice pentru transmisia mai departe Acest lucru reprezintă o gacirctuire a
fluxului de date deoarece fibra optică poate transmite mult mai multă
informatie (şi mai rapid) decat firele de cupru Aceasta pentru că icircn fibra
optică transmisia este realizată pe lungimi
de undă diferite un fel de separare pe
culori De aceea ideea este de a realiza nişte
cristale fotonice (cu un exemplu de structură
19
ilustrată icircn imagine) care să separe aceste culori diferite de lumina albă şi să
le routeze icircntr-un mod eficient ( Fig18)
Fig18
5 Invizibilitatea
Pacircnă nu demult invizibilitatea ţinea de domeniul fantasticului Se
pare icircnsă că omul invizibil al lui Wells dar şi navele invizibile ale
klingonienilor din Star Trek sunt pe cale să coboare din literatura şi filmele
science-fiction icircn lumea reală Pelerina invizibilităţii este tot mai aproape
de realitate Cercetătorii au realizat două noi tipuri de materiale care reflectă
lumina icircn mod diferit ceea ce aduce mai aproape de realitate dispozitivul
supranumit pelerina invizibilităţii Unul dintre materiale foloseşte o plasă
din straturi metalice care reflectă icircn sens invers direcţia luminii icircn timp ce
20
al doilea foloseşte fire minuscule de argint Componenţa ambelor materiale
poate fi analizată la scară nanometrică Ambele creaţii ale oamenilor de
ştiinţă sunt metamateriale structuri realizate artificial care au proprietăţi ce
nu se icircntacirclnesc icircn natură cum ar fi indicele de refracţie negativ Două echipe
au lucrat separat la elaborarea materialelor
sub conducerea lui Xiang Zhang de la Centrul
de inginerie şi ştiinţă nanometrică din cadrul
Universităţii Berkley California Fiecare
dintre noile materiale are proprietăţi de
reflectare a luminii icircn valuri de lungime
limitată astfel icircncacirct nimeni nu le poate utiliza
pentru a ascunde clădiri de sateliţi a declarat
Jason Valentine membru al uneia dintre echipe De fapt nu ascundem
nimic Nu cred că trebuie să fim icircngrijoraţi de persoane invizibile care să
umble icircn jurul nostru icircn viitorul apropiat Să fiu cinstit suntem abia la
icircnceput icircn ceea ce priveşte cercetările privind invizibilitatea a spus
Valentine Echipa lui Valentine a realizat un material care influenţează
lumina din apropierea spectrului vizibil icircntr-o regiune folosită icircn cadrul
fibrelor optice Icircn materialele naturale indicele de refracţie care măsoară
modul icircn care lumina acţionează icircntr-un mediu este pozitiv a spus el
Atunci cacircnd vezi un peşte icircn apă acesta va apărea icircn faţa poziţiei icircn care se
află de fapt Dacă pui un băţ icircn apă acesta pare să se icircndoaie a precizat el
menţionacircnd că aceste iluzii sunt provocate de modul icircn care lumina se
refractă atunci cacircnd se mişcă icircntre apă şi aer
Icircnconjoară obiectul ce se doreşte invizibil cu un metamaterial (Fig19)care
să deformeze traseul razelor de lumină prin metamaterial ocolind obiectul
şi care să le recombine după obiect aşa cum erau icircnainte de obiect astfel
obiectul nu este vizibil
Fig19
21
Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de
pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns
profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific
cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991
de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru
Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors
niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru
Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea
Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul
timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al
bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici
au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale
cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că
obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci
cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a
spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi
mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu
are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric
vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un
obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a
acestuia
Foarte flexibil dar mai ales ldquoinvizibilrdquo Metaflex face parte din
categoria metamaterialelor capabile sa devieze traiectoria radiaţiilor făcacircnd
invizibile obiectele Metaflex a fost realizat de cercetătorul italian Andrea
22
Di Falco şi echipa lui de la Universitatea St Andrews din Scoţia Metaflex
constituie subiectul proiectului de cercetare icircn cadrul EPSRC( Engineering
and Physical Science Research Council) denumit bdquoMetaflex- materiale pe
straturi optice transparente flexibilerdquo avacircnd ca scop fabricarea
metamaterialelor icircn membrane foarte subţiri şi flexibile După cum au
explicat oamenii de ştiinţă icircntr-un articol publicat icircn New Journal of
Physics incredibila elasticitate a materialului permite imaginarea unor
aplicaţii SF precum hainele icircn măsura să-l facă pe cel care le poartă
invizibil Găsirea unei modalităţi de a ascunde obiecte de lumina vizibilă
este o veche idee fixă de-a oamenilor de ştiinţă Primele succese icircn acest
sens au fost reprezentate de crearea unor materiale cu caracteristici electrice
şi magnetice speciale Aceste metamateriale care au proprietăţile datorită
structurii geometrice a atomilor sunt icircn măsură să facă să treacă o radiaţie
electromagnetică icircn jurul unui obiect Astfel obiectul devine invizibil
deoarece eludează incidenţa şi reflexia radiaţiei Pacircnă astăzi cercetătorii au
reuşit să creeze materiale invizibile la microunde şi raze infraroşii dar nu şi
la lumina vizibilă Dificultatea de a face un obiect transparent la radiaţia
luminoasă stă icircn faptul că trebuie lucrat pe geometrii infinit de mici
capabile să interacţioneze cu lumina care are o lungime de undă de ordinul
a doar cacircteva sute de nanometri Odată depaşită această dificultate
cercetătorii s-au văzut nevoiţi să icircnfrunte o alta proiectarea unui meta-
material care sa nu fie rigid ci flexibil astfel icircncacirct să poată fi utilizat pentru
fabricarea obiectelor elastice Echipa lui Di Falco a reuşit să depăşească şi
acest ultim obstacol obţinacircnd un pătrăţel de cacircţiva centimetri pătraţi şi o
grosime de 4 micrometri care face obiectele transparente la lumina
portocalie Mai rămacircne de văzut dacă aceste caracteristici ale materialului se
modifică atunci cacircnd este icircndoit sau rămacircn neschimbate icircn primul caz
invenţia va deschide calea realizării unei noi clase de lentile icircn al doilea
punerii la punct a unei adevărate pelerine a invizibilităţii Flexibilitatea
23
metaflexului permite proiectarea şi fabricarea unui sistem de camuflaj
deoarece materialul se poate adapta mediului icircnconjurător
Icircn cadrul studiului lor un grup de cercetători germani si englezi
coordonaţi de Tolga Ergin şi Nicolas Stenger de la Institutul de Tehnologie
din Karlsruhe au utilizat mantaua tridimensională pentru a face invizibilă o
protuberanţă de pe o suprafaţă de aur Mantaua este compusă din lentile
speciale asamblate icircntr-o structură polimerică lentile a căror caracteristică
este aceea de a se lega parţial de undele luminoase astfel icircncacirct să icircmpiedice
lumina să se difuzeze Toate structurile de acest gen realizate pacircnă icircn
prezent sunt bidimensionale dar ulterior a demonstrat că poate funcţiona şi
icircn 3D a precizat Ergin Aşa-numitele materiale ale invizibilităţii sunt
nanomateriale cu dimensiuni de ordinul milionimilor de metru Sunt
capabile sa devieze undele luminoase orientacircndu-le icircn jurul unui obiect
pacircnă cacircnd icircl icircnfăşoară ca o găoace aceasta comportacircndu-se de fapt ca o
manta a invizibilităţii
Obiectele pot fi făcute să pară invizibile lungimilor mari de undă
precum cele utilizate de radare dar nu şi acelora mai mici caracteristice
luminii Oamenii de ştiinţă speră să creeze materiale capabile să forţeze
circularea pe lacircngă un obiect a luminii astfel icircncacirct să icircl mascheze icircn faţa
ochiului uman şi să icircl facă practic invizibil Suprafeţele vor putea fi astfel
determinate să manipuleze toate formele de radiaţie cum ar fi lumina
microundele sau radiaţia
terahertziană conducacircnd la potenţiale
aplicaţii icircn medicină securitate şi
comunicaţii Echipele de cercetare
24
sunt coordonate de profesorul Sir John Pendry o autoritate de talie
mondiala icircn fizică de la ICL care a propus pentru prima oară icircn anul 2006
şi de către profesorul Ştefan Maier un vacircrf de lance icircn domeniul
plasmonicii sau tehnologiei undelor electromagnetice
Fig21 Exemplu de camuflaj vizibil Bombardier Stealth (SUA) ndash negru
(absorbant) icircn microunde şi vizibil
6 Bibliografie
Metaflex-mirajul invizibilităţii Revista Evrika nr12 decembrie 2010
George Nemeş Materiale cu indice de refracţie negativ (metamateriale)
Principii fizice si perspective 2005
G V Eleftheriades K G Balmain Negative-Refraction Metamaterials
Fundamental Principles and Applications Wiley Canada 2005
25
C Caloz T Itoh Electromagnetic Metamaterials Transmission Line
Theory and Microwave Applications Wiley Hoboken NJ 2006
Metaflex-primul material cu adevărat invizibil wwwdescoperăro
N Garcia and M Nieto-Vesperinas Phys Rev Lett 88 207403 (2002)
Sergiu Langa şi Ion Tighineanu UNIVERSITATEA TEHNICĂ A
MOLDOVEI FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE vol 1 nr 4 2000
httpwwwstandrewsacuk~ulfinvisibilityhtml
26
- Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de domeniul science fiction a declarat profesorul Milton
- Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991 de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
- Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a acestuia
-
(a) Prismă cu n lt 0 simulare
(b) Prismă cu n gt 0 (teflon) simulare
(c) Experiment prismă metamaterial n lt 0
(d) Experiment prismă teflon
Fig15
Progrese icircn microunde prin realizarea unei
prisme din metamaterial pentru microunde
(Costas M Soukoulis este un distins profesor
de fizică al Iowa State University şi senior
fizician la Ames Laboratory Cartea sa
include Photonic Band Gap Materials and
Photonic Crystals and Light Localization in the Twenty-First Century
2006)
Acest cristal fotonic este o Lentilă Veselago-Pendry pentru
microunde cu indice de refactie n = -1 rezoluţie spaţială lt l (Fig16)
Sir John Brian Pendry este un fizician englez cunoscut pentru studiile
sale privind indicele de refracţie El a creat ldquopelerina invizibilităţiirdquo
(Invisibility Cloak) El este acum la catedra de fizică teoretică a stării
solide al Imperial College London Icircn 2006 primeşte Medalia Regală - The
Royal Medal of the Royal Society of London
Fig16
Astăzi s-au realizat metamateriale pentru
infraroşu şi vizibil domeniul optic fiind icircn
plină cercetare pentru realizarea invizibilităţii
17
Metamateriale sunt
bull materiale artificiale caracterizate de proprietăţi (electromagnetice)
care provin din structura acestora şi nu direct din proprietăţile
materialelor care le compun
bull Materiale prezintă anumite caracteristici structurale comparabile ca
dimensiune cu lungimea de undă a radiaţiei electromagnetice cu care
interacţionează
bull metamaterialele ldquostacircngirdquo (ldquoleft handed metamaterialrdquo ndash LHM) - nu
verifică regula măinii drepte astfel icircncacirct viteza de fază şi cea de grup
au sensuri diferite - permitivitatea electrică şi permeabilitatea
magnetică sunt negative
bull Materiale icircn care are loc refracţia negativă un fenomen anormal icircn
electromagnetism pentru care raza refractată este de aceeaşi parte ca
şi raza incidentă
bull Icircn realitate foarte străvechi pentru că le putem considera spre
exemplu sticlele colorate utilizate icircn vitraliile catedralelor
bull şi cristalele fotonice ( Fig17)
Fig17 piatra de opal a brăţării este un cristal fotonic
Ce este cristalul fotonic
Răspuns Cristalul fotonic este un mediu
dielectric periodic 1D 2D sau 3D avacircnd
periodicitatea de ordinul lungimii de undă
18
a undei electromagnetice realizat prin tehnologii de microprelucrare
Principala sa proprietate este structura de benzi fotonice Pentru o undă
monocromatica care se propagă icircntr-un cristal fotonic ideal va exista o
bandă de frecvenţă interzisă (bandgap) indiferent de direcţia undei şi
indiferent de starea de polarizare a undei Lord Rayleigh icircn 1887 a fost
primul care a arătat că se poate obţine o bandă interzisă sau band gap iar
temenul de laquo cristal fotonic raquo nu a fost introdus decacirct icircn 1987 odată cu
apariţia a două articole majore de Eli Yablonovitch şi Sajeev John Icircn
natură pe lacircngă cristalul de opal care are micro bile de siliciu repartizate
aproape uniform cristale fotonice se icircntacirclnesc şi icircn lumea animală la o
specie de vierme marin Afrodita şi la aripile fluturelui Cyanophrys remus ce
posedă o nano- arhitectură complexă la care culorile albastru metalic şi
verde sunt atribuite structurii de cristale fotonice Ele sunt compuse din
chitină şi aer iar aranjamentul formează o structură dielectrică periodică
Una dintre barierele existente icircn telecomunicaţii la ora actuală este
reprezentată de nodurile de procesare care conectează reţelele de fibră
optică noduri necesare pentru routarea informaţiilor La ora actuală nu
există o metoda ieftină şi eficientă ca acest proces sa fie unul icircn totalitate
optic transmisia optică trebuind să fie convertită icircn semnale electrice pentru
a fi procesată de echipamentele de routare după care la loc icircn semnale
optice pentru transmisia mai departe Acest lucru reprezintă o gacirctuire a
fluxului de date deoarece fibra optică poate transmite mult mai multă
informatie (şi mai rapid) decat firele de cupru Aceasta pentru că icircn fibra
optică transmisia este realizată pe lungimi
de undă diferite un fel de separare pe
culori De aceea ideea este de a realiza nişte
cristale fotonice (cu un exemplu de structură
19
ilustrată icircn imagine) care să separe aceste culori diferite de lumina albă şi să
le routeze icircntr-un mod eficient ( Fig18)
Fig18
5 Invizibilitatea
Pacircnă nu demult invizibilitatea ţinea de domeniul fantasticului Se
pare icircnsă că omul invizibil al lui Wells dar şi navele invizibile ale
klingonienilor din Star Trek sunt pe cale să coboare din literatura şi filmele
science-fiction icircn lumea reală Pelerina invizibilităţii este tot mai aproape
de realitate Cercetătorii au realizat două noi tipuri de materiale care reflectă
lumina icircn mod diferit ceea ce aduce mai aproape de realitate dispozitivul
supranumit pelerina invizibilităţii Unul dintre materiale foloseşte o plasă
din straturi metalice care reflectă icircn sens invers direcţia luminii icircn timp ce
20
al doilea foloseşte fire minuscule de argint Componenţa ambelor materiale
poate fi analizată la scară nanometrică Ambele creaţii ale oamenilor de
ştiinţă sunt metamateriale structuri realizate artificial care au proprietăţi ce
nu se icircntacirclnesc icircn natură cum ar fi indicele de refracţie negativ Două echipe
au lucrat separat la elaborarea materialelor
sub conducerea lui Xiang Zhang de la Centrul
de inginerie şi ştiinţă nanometrică din cadrul
Universităţii Berkley California Fiecare
dintre noile materiale are proprietăţi de
reflectare a luminii icircn valuri de lungime
limitată astfel icircncacirct nimeni nu le poate utiliza
pentru a ascunde clădiri de sateliţi a declarat
Jason Valentine membru al uneia dintre echipe De fapt nu ascundem
nimic Nu cred că trebuie să fim icircngrijoraţi de persoane invizibile care să
umble icircn jurul nostru icircn viitorul apropiat Să fiu cinstit suntem abia la
icircnceput icircn ceea ce priveşte cercetările privind invizibilitatea a spus
Valentine Echipa lui Valentine a realizat un material care influenţează
lumina din apropierea spectrului vizibil icircntr-o regiune folosită icircn cadrul
fibrelor optice Icircn materialele naturale indicele de refracţie care măsoară
modul icircn care lumina acţionează icircntr-un mediu este pozitiv a spus el
Atunci cacircnd vezi un peşte icircn apă acesta va apărea icircn faţa poziţiei icircn care se
află de fapt Dacă pui un băţ icircn apă acesta pare să se icircndoaie a precizat el
menţionacircnd că aceste iluzii sunt provocate de modul icircn care lumina se
refractă atunci cacircnd se mişcă icircntre apă şi aer
Icircnconjoară obiectul ce se doreşte invizibil cu un metamaterial (Fig19)care
să deformeze traseul razelor de lumină prin metamaterial ocolind obiectul
şi care să le recombine după obiect aşa cum erau icircnainte de obiect astfel
obiectul nu este vizibil
Fig19
21
Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de
pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns
profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific
cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991
de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru
Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors
niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru
Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea
Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul
timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al
bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici
au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale
cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că
obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci
cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a
spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi
mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu
are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric
vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un
obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a
acestuia
Foarte flexibil dar mai ales ldquoinvizibilrdquo Metaflex face parte din
categoria metamaterialelor capabile sa devieze traiectoria radiaţiilor făcacircnd
invizibile obiectele Metaflex a fost realizat de cercetătorul italian Andrea
22
Di Falco şi echipa lui de la Universitatea St Andrews din Scoţia Metaflex
constituie subiectul proiectului de cercetare icircn cadrul EPSRC( Engineering
and Physical Science Research Council) denumit bdquoMetaflex- materiale pe
straturi optice transparente flexibilerdquo avacircnd ca scop fabricarea
metamaterialelor icircn membrane foarte subţiri şi flexibile După cum au
explicat oamenii de ştiinţă icircntr-un articol publicat icircn New Journal of
Physics incredibila elasticitate a materialului permite imaginarea unor
aplicaţii SF precum hainele icircn măsura să-l facă pe cel care le poartă
invizibil Găsirea unei modalităţi de a ascunde obiecte de lumina vizibilă
este o veche idee fixă de-a oamenilor de ştiinţă Primele succese icircn acest
sens au fost reprezentate de crearea unor materiale cu caracteristici electrice
şi magnetice speciale Aceste metamateriale care au proprietăţile datorită
structurii geometrice a atomilor sunt icircn măsură să facă să treacă o radiaţie
electromagnetică icircn jurul unui obiect Astfel obiectul devine invizibil
deoarece eludează incidenţa şi reflexia radiaţiei Pacircnă astăzi cercetătorii au
reuşit să creeze materiale invizibile la microunde şi raze infraroşii dar nu şi
la lumina vizibilă Dificultatea de a face un obiect transparent la radiaţia
luminoasă stă icircn faptul că trebuie lucrat pe geometrii infinit de mici
capabile să interacţioneze cu lumina care are o lungime de undă de ordinul
a doar cacircteva sute de nanometri Odată depaşită această dificultate
cercetătorii s-au văzut nevoiţi să icircnfrunte o alta proiectarea unui meta-
material care sa nu fie rigid ci flexibil astfel icircncacirct să poată fi utilizat pentru
fabricarea obiectelor elastice Echipa lui Di Falco a reuşit să depăşească şi
acest ultim obstacol obţinacircnd un pătrăţel de cacircţiva centimetri pătraţi şi o
grosime de 4 micrometri care face obiectele transparente la lumina
portocalie Mai rămacircne de văzut dacă aceste caracteristici ale materialului se
modifică atunci cacircnd este icircndoit sau rămacircn neschimbate icircn primul caz
invenţia va deschide calea realizării unei noi clase de lentile icircn al doilea
punerii la punct a unei adevărate pelerine a invizibilităţii Flexibilitatea
23
metaflexului permite proiectarea şi fabricarea unui sistem de camuflaj
deoarece materialul se poate adapta mediului icircnconjurător
Icircn cadrul studiului lor un grup de cercetători germani si englezi
coordonaţi de Tolga Ergin şi Nicolas Stenger de la Institutul de Tehnologie
din Karlsruhe au utilizat mantaua tridimensională pentru a face invizibilă o
protuberanţă de pe o suprafaţă de aur Mantaua este compusă din lentile
speciale asamblate icircntr-o structură polimerică lentile a căror caracteristică
este aceea de a se lega parţial de undele luminoase astfel icircncacirct să icircmpiedice
lumina să se difuzeze Toate structurile de acest gen realizate pacircnă icircn
prezent sunt bidimensionale dar ulterior a demonstrat că poate funcţiona şi
icircn 3D a precizat Ergin Aşa-numitele materiale ale invizibilităţii sunt
nanomateriale cu dimensiuni de ordinul milionimilor de metru Sunt
capabile sa devieze undele luminoase orientacircndu-le icircn jurul unui obiect
pacircnă cacircnd icircl icircnfăşoară ca o găoace aceasta comportacircndu-se de fapt ca o
manta a invizibilităţii
Obiectele pot fi făcute să pară invizibile lungimilor mari de undă
precum cele utilizate de radare dar nu şi acelora mai mici caracteristice
luminii Oamenii de ştiinţă speră să creeze materiale capabile să forţeze
circularea pe lacircngă un obiect a luminii astfel icircncacirct să icircl mascheze icircn faţa
ochiului uman şi să icircl facă practic invizibil Suprafeţele vor putea fi astfel
determinate să manipuleze toate formele de radiaţie cum ar fi lumina
microundele sau radiaţia
terahertziană conducacircnd la potenţiale
aplicaţii icircn medicină securitate şi
comunicaţii Echipele de cercetare
24
sunt coordonate de profesorul Sir John Pendry o autoritate de talie
mondiala icircn fizică de la ICL care a propus pentru prima oară icircn anul 2006
şi de către profesorul Ştefan Maier un vacircrf de lance icircn domeniul
plasmonicii sau tehnologiei undelor electromagnetice
Fig21 Exemplu de camuflaj vizibil Bombardier Stealth (SUA) ndash negru
(absorbant) icircn microunde şi vizibil
6 Bibliografie
Metaflex-mirajul invizibilităţii Revista Evrika nr12 decembrie 2010
George Nemeş Materiale cu indice de refracţie negativ (metamateriale)
Principii fizice si perspective 2005
G V Eleftheriades K G Balmain Negative-Refraction Metamaterials
Fundamental Principles and Applications Wiley Canada 2005
25
C Caloz T Itoh Electromagnetic Metamaterials Transmission Line
Theory and Microwave Applications Wiley Hoboken NJ 2006
Metaflex-primul material cu adevărat invizibil wwwdescoperăro
N Garcia and M Nieto-Vesperinas Phys Rev Lett 88 207403 (2002)
Sergiu Langa şi Ion Tighineanu UNIVERSITATEA TEHNICĂ A
MOLDOVEI FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE vol 1 nr 4 2000
httpwwwstandrewsacuk~ulfinvisibilityhtml
26
- Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de domeniul science fiction a declarat profesorul Milton
- Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991 de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
- Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a acestuia
-
Metamateriale sunt
bull materiale artificiale caracterizate de proprietăţi (electromagnetice)
care provin din structura acestora şi nu direct din proprietăţile
materialelor care le compun
bull Materiale prezintă anumite caracteristici structurale comparabile ca
dimensiune cu lungimea de undă a radiaţiei electromagnetice cu care
interacţionează
bull metamaterialele ldquostacircngirdquo (ldquoleft handed metamaterialrdquo ndash LHM) - nu
verifică regula măinii drepte astfel icircncacirct viteza de fază şi cea de grup
au sensuri diferite - permitivitatea electrică şi permeabilitatea
magnetică sunt negative
bull Materiale icircn care are loc refracţia negativă un fenomen anormal icircn
electromagnetism pentru care raza refractată este de aceeaşi parte ca
şi raza incidentă
bull Icircn realitate foarte străvechi pentru că le putem considera spre
exemplu sticlele colorate utilizate icircn vitraliile catedralelor
bull şi cristalele fotonice ( Fig17)
Fig17 piatra de opal a brăţării este un cristal fotonic
Ce este cristalul fotonic
Răspuns Cristalul fotonic este un mediu
dielectric periodic 1D 2D sau 3D avacircnd
periodicitatea de ordinul lungimii de undă
18
a undei electromagnetice realizat prin tehnologii de microprelucrare
Principala sa proprietate este structura de benzi fotonice Pentru o undă
monocromatica care se propagă icircntr-un cristal fotonic ideal va exista o
bandă de frecvenţă interzisă (bandgap) indiferent de direcţia undei şi
indiferent de starea de polarizare a undei Lord Rayleigh icircn 1887 a fost
primul care a arătat că se poate obţine o bandă interzisă sau band gap iar
temenul de laquo cristal fotonic raquo nu a fost introdus decacirct icircn 1987 odată cu
apariţia a două articole majore de Eli Yablonovitch şi Sajeev John Icircn
natură pe lacircngă cristalul de opal care are micro bile de siliciu repartizate
aproape uniform cristale fotonice se icircntacirclnesc şi icircn lumea animală la o
specie de vierme marin Afrodita şi la aripile fluturelui Cyanophrys remus ce
posedă o nano- arhitectură complexă la care culorile albastru metalic şi
verde sunt atribuite structurii de cristale fotonice Ele sunt compuse din
chitină şi aer iar aranjamentul formează o structură dielectrică periodică
Una dintre barierele existente icircn telecomunicaţii la ora actuală este
reprezentată de nodurile de procesare care conectează reţelele de fibră
optică noduri necesare pentru routarea informaţiilor La ora actuală nu
există o metoda ieftină şi eficientă ca acest proces sa fie unul icircn totalitate
optic transmisia optică trebuind să fie convertită icircn semnale electrice pentru
a fi procesată de echipamentele de routare după care la loc icircn semnale
optice pentru transmisia mai departe Acest lucru reprezintă o gacirctuire a
fluxului de date deoarece fibra optică poate transmite mult mai multă
informatie (şi mai rapid) decat firele de cupru Aceasta pentru că icircn fibra
optică transmisia este realizată pe lungimi
de undă diferite un fel de separare pe
culori De aceea ideea este de a realiza nişte
cristale fotonice (cu un exemplu de structură
19
ilustrată icircn imagine) care să separe aceste culori diferite de lumina albă şi să
le routeze icircntr-un mod eficient ( Fig18)
Fig18
5 Invizibilitatea
Pacircnă nu demult invizibilitatea ţinea de domeniul fantasticului Se
pare icircnsă că omul invizibil al lui Wells dar şi navele invizibile ale
klingonienilor din Star Trek sunt pe cale să coboare din literatura şi filmele
science-fiction icircn lumea reală Pelerina invizibilităţii este tot mai aproape
de realitate Cercetătorii au realizat două noi tipuri de materiale care reflectă
lumina icircn mod diferit ceea ce aduce mai aproape de realitate dispozitivul
supranumit pelerina invizibilităţii Unul dintre materiale foloseşte o plasă
din straturi metalice care reflectă icircn sens invers direcţia luminii icircn timp ce
20
al doilea foloseşte fire minuscule de argint Componenţa ambelor materiale
poate fi analizată la scară nanometrică Ambele creaţii ale oamenilor de
ştiinţă sunt metamateriale structuri realizate artificial care au proprietăţi ce
nu se icircntacirclnesc icircn natură cum ar fi indicele de refracţie negativ Două echipe
au lucrat separat la elaborarea materialelor
sub conducerea lui Xiang Zhang de la Centrul
de inginerie şi ştiinţă nanometrică din cadrul
Universităţii Berkley California Fiecare
dintre noile materiale are proprietăţi de
reflectare a luminii icircn valuri de lungime
limitată astfel icircncacirct nimeni nu le poate utiliza
pentru a ascunde clădiri de sateliţi a declarat
Jason Valentine membru al uneia dintre echipe De fapt nu ascundem
nimic Nu cred că trebuie să fim icircngrijoraţi de persoane invizibile care să
umble icircn jurul nostru icircn viitorul apropiat Să fiu cinstit suntem abia la
icircnceput icircn ceea ce priveşte cercetările privind invizibilitatea a spus
Valentine Echipa lui Valentine a realizat un material care influenţează
lumina din apropierea spectrului vizibil icircntr-o regiune folosită icircn cadrul
fibrelor optice Icircn materialele naturale indicele de refracţie care măsoară
modul icircn care lumina acţionează icircntr-un mediu este pozitiv a spus el
Atunci cacircnd vezi un peşte icircn apă acesta va apărea icircn faţa poziţiei icircn care se
află de fapt Dacă pui un băţ icircn apă acesta pare să se icircndoaie a precizat el
menţionacircnd că aceste iluzii sunt provocate de modul icircn care lumina se
refractă atunci cacircnd se mişcă icircntre apă şi aer
Icircnconjoară obiectul ce se doreşte invizibil cu un metamaterial (Fig19)care
să deformeze traseul razelor de lumină prin metamaterial ocolind obiectul
şi care să le recombine după obiect aşa cum erau icircnainte de obiect astfel
obiectul nu este vizibil
Fig19
21
Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de
pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns
profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific
cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991
de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru
Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors
niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru
Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea
Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul
timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al
bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici
au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale
cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că
obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci
cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a
spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi
mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu
are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric
vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un
obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a
acestuia
Foarte flexibil dar mai ales ldquoinvizibilrdquo Metaflex face parte din
categoria metamaterialelor capabile sa devieze traiectoria radiaţiilor făcacircnd
invizibile obiectele Metaflex a fost realizat de cercetătorul italian Andrea
22
Di Falco şi echipa lui de la Universitatea St Andrews din Scoţia Metaflex
constituie subiectul proiectului de cercetare icircn cadrul EPSRC( Engineering
and Physical Science Research Council) denumit bdquoMetaflex- materiale pe
straturi optice transparente flexibilerdquo avacircnd ca scop fabricarea
metamaterialelor icircn membrane foarte subţiri şi flexibile După cum au
explicat oamenii de ştiinţă icircntr-un articol publicat icircn New Journal of
Physics incredibila elasticitate a materialului permite imaginarea unor
aplicaţii SF precum hainele icircn măsura să-l facă pe cel care le poartă
invizibil Găsirea unei modalităţi de a ascunde obiecte de lumina vizibilă
este o veche idee fixă de-a oamenilor de ştiinţă Primele succese icircn acest
sens au fost reprezentate de crearea unor materiale cu caracteristici electrice
şi magnetice speciale Aceste metamateriale care au proprietăţile datorită
structurii geometrice a atomilor sunt icircn măsură să facă să treacă o radiaţie
electromagnetică icircn jurul unui obiect Astfel obiectul devine invizibil
deoarece eludează incidenţa şi reflexia radiaţiei Pacircnă astăzi cercetătorii au
reuşit să creeze materiale invizibile la microunde şi raze infraroşii dar nu şi
la lumina vizibilă Dificultatea de a face un obiect transparent la radiaţia
luminoasă stă icircn faptul că trebuie lucrat pe geometrii infinit de mici
capabile să interacţioneze cu lumina care are o lungime de undă de ordinul
a doar cacircteva sute de nanometri Odată depaşită această dificultate
cercetătorii s-au văzut nevoiţi să icircnfrunte o alta proiectarea unui meta-
material care sa nu fie rigid ci flexibil astfel icircncacirct să poată fi utilizat pentru
fabricarea obiectelor elastice Echipa lui Di Falco a reuşit să depăşească şi
acest ultim obstacol obţinacircnd un pătrăţel de cacircţiva centimetri pătraţi şi o
grosime de 4 micrometri care face obiectele transparente la lumina
portocalie Mai rămacircne de văzut dacă aceste caracteristici ale materialului se
modifică atunci cacircnd este icircndoit sau rămacircn neschimbate icircn primul caz
invenţia va deschide calea realizării unei noi clase de lentile icircn al doilea
punerii la punct a unei adevărate pelerine a invizibilităţii Flexibilitatea
23
metaflexului permite proiectarea şi fabricarea unui sistem de camuflaj
deoarece materialul se poate adapta mediului icircnconjurător
Icircn cadrul studiului lor un grup de cercetători germani si englezi
coordonaţi de Tolga Ergin şi Nicolas Stenger de la Institutul de Tehnologie
din Karlsruhe au utilizat mantaua tridimensională pentru a face invizibilă o
protuberanţă de pe o suprafaţă de aur Mantaua este compusă din lentile
speciale asamblate icircntr-o structură polimerică lentile a căror caracteristică
este aceea de a se lega parţial de undele luminoase astfel icircncacirct să icircmpiedice
lumina să se difuzeze Toate structurile de acest gen realizate pacircnă icircn
prezent sunt bidimensionale dar ulterior a demonstrat că poate funcţiona şi
icircn 3D a precizat Ergin Aşa-numitele materiale ale invizibilităţii sunt
nanomateriale cu dimensiuni de ordinul milionimilor de metru Sunt
capabile sa devieze undele luminoase orientacircndu-le icircn jurul unui obiect
pacircnă cacircnd icircl icircnfăşoară ca o găoace aceasta comportacircndu-se de fapt ca o
manta a invizibilităţii
Obiectele pot fi făcute să pară invizibile lungimilor mari de undă
precum cele utilizate de radare dar nu şi acelora mai mici caracteristice
luminii Oamenii de ştiinţă speră să creeze materiale capabile să forţeze
circularea pe lacircngă un obiect a luminii astfel icircncacirct să icircl mascheze icircn faţa
ochiului uman şi să icircl facă practic invizibil Suprafeţele vor putea fi astfel
determinate să manipuleze toate formele de radiaţie cum ar fi lumina
microundele sau radiaţia
terahertziană conducacircnd la potenţiale
aplicaţii icircn medicină securitate şi
comunicaţii Echipele de cercetare
24
sunt coordonate de profesorul Sir John Pendry o autoritate de talie
mondiala icircn fizică de la ICL care a propus pentru prima oară icircn anul 2006
şi de către profesorul Ştefan Maier un vacircrf de lance icircn domeniul
plasmonicii sau tehnologiei undelor electromagnetice
Fig21 Exemplu de camuflaj vizibil Bombardier Stealth (SUA) ndash negru
(absorbant) icircn microunde şi vizibil
6 Bibliografie
Metaflex-mirajul invizibilităţii Revista Evrika nr12 decembrie 2010
George Nemeş Materiale cu indice de refracţie negativ (metamateriale)
Principii fizice si perspective 2005
G V Eleftheriades K G Balmain Negative-Refraction Metamaterials
Fundamental Principles and Applications Wiley Canada 2005
25
C Caloz T Itoh Electromagnetic Metamaterials Transmission Line
Theory and Microwave Applications Wiley Hoboken NJ 2006
Metaflex-primul material cu adevărat invizibil wwwdescoperăro
N Garcia and M Nieto-Vesperinas Phys Rev Lett 88 207403 (2002)
Sergiu Langa şi Ion Tighineanu UNIVERSITATEA TEHNICĂ A
MOLDOVEI FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE vol 1 nr 4 2000
httpwwwstandrewsacuk~ulfinvisibilityhtml
26
- Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de domeniul science fiction a declarat profesorul Milton
- Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991 de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
- Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a acestuia
-
a undei electromagnetice realizat prin tehnologii de microprelucrare
Principala sa proprietate este structura de benzi fotonice Pentru o undă
monocromatica care se propagă icircntr-un cristal fotonic ideal va exista o
bandă de frecvenţă interzisă (bandgap) indiferent de direcţia undei şi
indiferent de starea de polarizare a undei Lord Rayleigh icircn 1887 a fost
primul care a arătat că se poate obţine o bandă interzisă sau band gap iar
temenul de laquo cristal fotonic raquo nu a fost introdus decacirct icircn 1987 odată cu
apariţia a două articole majore de Eli Yablonovitch şi Sajeev John Icircn
natură pe lacircngă cristalul de opal care are micro bile de siliciu repartizate
aproape uniform cristale fotonice se icircntacirclnesc şi icircn lumea animală la o
specie de vierme marin Afrodita şi la aripile fluturelui Cyanophrys remus ce
posedă o nano- arhitectură complexă la care culorile albastru metalic şi
verde sunt atribuite structurii de cristale fotonice Ele sunt compuse din
chitină şi aer iar aranjamentul formează o structură dielectrică periodică
Una dintre barierele existente icircn telecomunicaţii la ora actuală este
reprezentată de nodurile de procesare care conectează reţelele de fibră
optică noduri necesare pentru routarea informaţiilor La ora actuală nu
există o metoda ieftină şi eficientă ca acest proces sa fie unul icircn totalitate
optic transmisia optică trebuind să fie convertită icircn semnale electrice pentru
a fi procesată de echipamentele de routare după care la loc icircn semnale
optice pentru transmisia mai departe Acest lucru reprezintă o gacirctuire a
fluxului de date deoarece fibra optică poate transmite mult mai multă
informatie (şi mai rapid) decat firele de cupru Aceasta pentru că icircn fibra
optică transmisia este realizată pe lungimi
de undă diferite un fel de separare pe
culori De aceea ideea este de a realiza nişte
cristale fotonice (cu un exemplu de structură
19
ilustrată icircn imagine) care să separe aceste culori diferite de lumina albă şi să
le routeze icircntr-un mod eficient ( Fig18)
Fig18
5 Invizibilitatea
Pacircnă nu demult invizibilitatea ţinea de domeniul fantasticului Se
pare icircnsă că omul invizibil al lui Wells dar şi navele invizibile ale
klingonienilor din Star Trek sunt pe cale să coboare din literatura şi filmele
science-fiction icircn lumea reală Pelerina invizibilităţii este tot mai aproape
de realitate Cercetătorii au realizat două noi tipuri de materiale care reflectă
lumina icircn mod diferit ceea ce aduce mai aproape de realitate dispozitivul
supranumit pelerina invizibilităţii Unul dintre materiale foloseşte o plasă
din straturi metalice care reflectă icircn sens invers direcţia luminii icircn timp ce
20
al doilea foloseşte fire minuscule de argint Componenţa ambelor materiale
poate fi analizată la scară nanometrică Ambele creaţii ale oamenilor de
ştiinţă sunt metamateriale structuri realizate artificial care au proprietăţi ce
nu se icircntacirclnesc icircn natură cum ar fi indicele de refracţie negativ Două echipe
au lucrat separat la elaborarea materialelor
sub conducerea lui Xiang Zhang de la Centrul
de inginerie şi ştiinţă nanometrică din cadrul
Universităţii Berkley California Fiecare
dintre noile materiale are proprietăţi de
reflectare a luminii icircn valuri de lungime
limitată astfel icircncacirct nimeni nu le poate utiliza
pentru a ascunde clădiri de sateliţi a declarat
Jason Valentine membru al uneia dintre echipe De fapt nu ascundem
nimic Nu cred că trebuie să fim icircngrijoraţi de persoane invizibile care să
umble icircn jurul nostru icircn viitorul apropiat Să fiu cinstit suntem abia la
icircnceput icircn ceea ce priveşte cercetările privind invizibilitatea a spus
Valentine Echipa lui Valentine a realizat un material care influenţează
lumina din apropierea spectrului vizibil icircntr-o regiune folosită icircn cadrul
fibrelor optice Icircn materialele naturale indicele de refracţie care măsoară
modul icircn care lumina acţionează icircntr-un mediu este pozitiv a spus el
Atunci cacircnd vezi un peşte icircn apă acesta va apărea icircn faţa poziţiei icircn care se
află de fapt Dacă pui un băţ icircn apă acesta pare să se icircndoaie a precizat el
menţionacircnd că aceste iluzii sunt provocate de modul icircn care lumina se
refractă atunci cacircnd se mişcă icircntre apă şi aer
Icircnconjoară obiectul ce se doreşte invizibil cu un metamaterial (Fig19)care
să deformeze traseul razelor de lumină prin metamaterial ocolind obiectul
şi care să le recombine după obiect aşa cum erau icircnainte de obiect astfel
obiectul nu este vizibil
Fig19
21
Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de
pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns
profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific
cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991
de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru
Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors
niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru
Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea
Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul
timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al
bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici
au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale
cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că
obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci
cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a
spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi
mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu
are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric
vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un
obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a
acestuia
Foarte flexibil dar mai ales ldquoinvizibilrdquo Metaflex face parte din
categoria metamaterialelor capabile sa devieze traiectoria radiaţiilor făcacircnd
invizibile obiectele Metaflex a fost realizat de cercetătorul italian Andrea
22
Di Falco şi echipa lui de la Universitatea St Andrews din Scoţia Metaflex
constituie subiectul proiectului de cercetare icircn cadrul EPSRC( Engineering
and Physical Science Research Council) denumit bdquoMetaflex- materiale pe
straturi optice transparente flexibilerdquo avacircnd ca scop fabricarea
metamaterialelor icircn membrane foarte subţiri şi flexibile După cum au
explicat oamenii de ştiinţă icircntr-un articol publicat icircn New Journal of
Physics incredibila elasticitate a materialului permite imaginarea unor
aplicaţii SF precum hainele icircn măsura să-l facă pe cel care le poartă
invizibil Găsirea unei modalităţi de a ascunde obiecte de lumina vizibilă
este o veche idee fixă de-a oamenilor de ştiinţă Primele succese icircn acest
sens au fost reprezentate de crearea unor materiale cu caracteristici electrice
şi magnetice speciale Aceste metamateriale care au proprietăţile datorită
structurii geometrice a atomilor sunt icircn măsură să facă să treacă o radiaţie
electromagnetică icircn jurul unui obiect Astfel obiectul devine invizibil
deoarece eludează incidenţa şi reflexia radiaţiei Pacircnă astăzi cercetătorii au
reuşit să creeze materiale invizibile la microunde şi raze infraroşii dar nu şi
la lumina vizibilă Dificultatea de a face un obiect transparent la radiaţia
luminoasă stă icircn faptul că trebuie lucrat pe geometrii infinit de mici
capabile să interacţioneze cu lumina care are o lungime de undă de ordinul
a doar cacircteva sute de nanometri Odată depaşită această dificultate
cercetătorii s-au văzut nevoiţi să icircnfrunte o alta proiectarea unui meta-
material care sa nu fie rigid ci flexibil astfel icircncacirct să poată fi utilizat pentru
fabricarea obiectelor elastice Echipa lui Di Falco a reuşit să depăşească şi
acest ultim obstacol obţinacircnd un pătrăţel de cacircţiva centimetri pătraţi şi o
grosime de 4 micrometri care face obiectele transparente la lumina
portocalie Mai rămacircne de văzut dacă aceste caracteristici ale materialului se
modifică atunci cacircnd este icircndoit sau rămacircn neschimbate icircn primul caz
invenţia va deschide calea realizării unei noi clase de lentile icircn al doilea
punerii la punct a unei adevărate pelerine a invizibilităţii Flexibilitatea
23
metaflexului permite proiectarea şi fabricarea unui sistem de camuflaj
deoarece materialul se poate adapta mediului icircnconjurător
Icircn cadrul studiului lor un grup de cercetători germani si englezi
coordonaţi de Tolga Ergin şi Nicolas Stenger de la Institutul de Tehnologie
din Karlsruhe au utilizat mantaua tridimensională pentru a face invizibilă o
protuberanţă de pe o suprafaţă de aur Mantaua este compusă din lentile
speciale asamblate icircntr-o structură polimerică lentile a căror caracteristică
este aceea de a se lega parţial de undele luminoase astfel icircncacirct să icircmpiedice
lumina să se difuzeze Toate structurile de acest gen realizate pacircnă icircn
prezent sunt bidimensionale dar ulterior a demonstrat că poate funcţiona şi
icircn 3D a precizat Ergin Aşa-numitele materiale ale invizibilităţii sunt
nanomateriale cu dimensiuni de ordinul milionimilor de metru Sunt
capabile sa devieze undele luminoase orientacircndu-le icircn jurul unui obiect
pacircnă cacircnd icircl icircnfăşoară ca o găoace aceasta comportacircndu-se de fapt ca o
manta a invizibilităţii
Obiectele pot fi făcute să pară invizibile lungimilor mari de undă
precum cele utilizate de radare dar nu şi acelora mai mici caracteristice
luminii Oamenii de ştiinţă speră să creeze materiale capabile să forţeze
circularea pe lacircngă un obiect a luminii astfel icircncacirct să icircl mascheze icircn faţa
ochiului uman şi să icircl facă practic invizibil Suprafeţele vor putea fi astfel
determinate să manipuleze toate formele de radiaţie cum ar fi lumina
microundele sau radiaţia
terahertziană conducacircnd la potenţiale
aplicaţii icircn medicină securitate şi
comunicaţii Echipele de cercetare
24
sunt coordonate de profesorul Sir John Pendry o autoritate de talie
mondiala icircn fizică de la ICL care a propus pentru prima oară icircn anul 2006
şi de către profesorul Ştefan Maier un vacircrf de lance icircn domeniul
plasmonicii sau tehnologiei undelor electromagnetice
Fig21 Exemplu de camuflaj vizibil Bombardier Stealth (SUA) ndash negru
(absorbant) icircn microunde şi vizibil
6 Bibliografie
Metaflex-mirajul invizibilităţii Revista Evrika nr12 decembrie 2010
George Nemeş Materiale cu indice de refracţie negativ (metamateriale)
Principii fizice si perspective 2005
G V Eleftheriades K G Balmain Negative-Refraction Metamaterials
Fundamental Principles and Applications Wiley Canada 2005
25
C Caloz T Itoh Electromagnetic Metamaterials Transmission Line
Theory and Microwave Applications Wiley Hoboken NJ 2006
Metaflex-primul material cu adevărat invizibil wwwdescoperăro
N Garcia and M Nieto-Vesperinas Phys Rev Lett 88 207403 (2002)
Sergiu Langa şi Ion Tighineanu UNIVERSITATEA TEHNICĂ A
MOLDOVEI FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE vol 1 nr 4 2000
httpwwwstandrewsacuk~ulfinvisibilityhtml
26
- Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de domeniul science fiction a declarat profesorul Milton
- Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991 de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
- Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a acestuia
-
ilustrată icircn imagine) care să separe aceste culori diferite de lumina albă şi să
le routeze icircntr-un mod eficient ( Fig18)
Fig18
5 Invizibilitatea
Pacircnă nu demult invizibilitatea ţinea de domeniul fantasticului Se
pare icircnsă că omul invizibil al lui Wells dar şi navele invizibile ale
klingonienilor din Star Trek sunt pe cale să coboare din literatura şi filmele
science-fiction icircn lumea reală Pelerina invizibilităţii este tot mai aproape
de realitate Cercetătorii au realizat două noi tipuri de materiale care reflectă
lumina icircn mod diferit ceea ce aduce mai aproape de realitate dispozitivul
supranumit pelerina invizibilităţii Unul dintre materiale foloseşte o plasă
din straturi metalice care reflectă icircn sens invers direcţia luminii icircn timp ce
20
al doilea foloseşte fire minuscule de argint Componenţa ambelor materiale
poate fi analizată la scară nanometrică Ambele creaţii ale oamenilor de
ştiinţă sunt metamateriale structuri realizate artificial care au proprietăţi ce
nu se icircntacirclnesc icircn natură cum ar fi indicele de refracţie negativ Două echipe
au lucrat separat la elaborarea materialelor
sub conducerea lui Xiang Zhang de la Centrul
de inginerie şi ştiinţă nanometrică din cadrul
Universităţii Berkley California Fiecare
dintre noile materiale are proprietăţi de
reflectare a luminii icircn valuri de lungime
limitată astfel icircncacirct nimeni nu le poate utiliza
pentru a ascunde clădiri de sateliţi a declarat
Jason Valentine membru al uneia dintre echipe De fapt nu ascundem
nimic Nu cred că trebuie să fim icircngrijoraţi de persoane invizibile care să
umble icircn jurul nostru icircn viitorul apropiat Să fiu cinstit suntem abia la
icircnceput icircn ceea ce priveşte cercetările privind invizibilitatea a spus
Valentine Echipa lui Valentine a realizat un material care influenţează
lumina din apropierea spectrului vizibil icircntr-o regiune folosită icircn cadrul
fibrelor optice Icircn materialele naturale indicele de refracţie care măsoară
modul icircn care lumina acţionează icircntr-un mediu este pozitiv a spus el
Atunci cacircnd vezi un peşte icircn apă acesta va apărea icircn faţa poziţiei icircn care se
află de fapt Dacă pui un băţ icircn apă acesta pare să se icircndoaie a precizat el
menţionacircnd că aceste iluzii sunt provocate de modul icircn care lumina se
refractă atunci cacircnd se mişcă icircntre apă şi aer
Icircnconjoară obiectul ce se doreşte invizibil cu un metamaterial (Fig19)care
să deformeze traseul razelor de lumină prin metamaterial ocolind obiectul
şi care să le recombine după obiect aşa cum erau icircnainte de obiect astfel
obiectul nu este vizibil
Fig19
21
Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de
pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns
profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific
cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991
de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru
Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors
niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru
Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea
Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul
timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al
bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici
au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale
cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că
obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci
cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a
spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi
mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu
are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric
vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un
obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a
acestuia
Foarte flexibil dar mai ales ldquoinvizibilrdquo Metaflex face parte din
categoria metamaterialelor capabile sa devieze traiectoria radiaţiilor făcacircnd
invizibile obiectele Metaflex a fost realizat de cercetătorul italian Andrea
22
Di Falco şi echipa lui de la Universitatea St Andrews din Scoţia Metaflex
constituie subiectul proiectului de cercetare icircn cadrul EPSRC( Engineering
and Physical Science Research Council) denumit bdquoMetaflex- materiale pe
straturi optice transparente flexibilerdquo avacircnd ca scop fabricarea
metamaterialelor icircn membrane foarte subţiri şi flexibile După cum au
explicat oamenii de ştiinţă icircntr-un articol publicat icircn New Journal of
Physics incredibila elasticitate a materialului permite imaginarea unor
aplicaţii SF precum hainele icircn măsura să-l facă pe cel care le poartă
invizibil Găsirea unei modalităţi de a ascunde obiecte de lumina vizibilă
este o veche idee fixă de-a oamenilor de ştiinţă Primele succese icircn acest
sens au fost reprezentate de crearea unor materiale cu caracteristici electrice
şi magnetice speciale Aceste metamateriale care au proprietăţile datorită
structurii geometrice a atomilor sunt icircn măsură să facă să treacă o radiaţie
electromagnetică icircn jurul unui obiect Astfel obiectul devine invizibil
deoarece eludează incidenţa şi reflexia radiaţiei Pacircnă astăzi cercetătorii au
reuşit să creeze materiale invizibile la microunde şi raze infraroşii dar nu şi
la lumina vizibilă Dificultatea de a face un obiect transparent la radiaţia
luminoasă stă icircn faptul că trebuie lucrat pe geometrii infinit de mici
capabile să interacţioneze cu lumina care are o lungime de undă de ordinul
a doar cacircteva sute de nanometri Odată depaşită această dificultate
cercetătorii s-au văzut nevoiţi să icircnfrunte o alta proiectarea unui meta-
material care sa nu fie rigid ci flexibil astfel icircncacirct să poată fi utilizat pentru
fabricarea obiectelor elastice Echipa lui Di Falco a reuşit să depăşească şi
acest ultim obstacol obţinacircnd un pătrăţel de cacircţiva centimetri pătraţi şi o
grosime de 4 micrometri care face obiectele transparente la lumina
portocalie Mai rămacircne de văzut dacă aceste caracteristici ale materialului se
modifică atunci cacircnd este icircndoit sau rămacircn neschimbate icircn primul caz
invenţia va deschide calea realizării unei noi clase de lentile icircn al doilea
punerii la punct a unei adevărate pelerine a invizibilităţii Flexibilitatea
23
metaflexului permite proiectarea şi fabricarea unui sistem de camuflaj
deoarece materialul se poate adapta mediului icircnconjurător
Icircn cadrul studiului lor un grup de cercetători germani si englezi
coordonaţi de Tolga Ergin şi Nicolas Stenger de la Institutul de Tehnologie
din Karlsruhe au utilizat mantaua tridimensională pentru a face invizibilă o
protuberanţă de pe o suprafaţă de aur Mantaua este compusă din lentile
speciale asamblate icircntr-o structură polimerică lentile a căror caracteristică
este aceea de a se lega parţial de undele luminoase astfel icircncacirct să icircmpiedice
lumina să se difuzeze Toate structurile de acest gen realizate pacircnă icircn
prezent sunt bidimensionale dar ulterior a demonstrat că poate funcţiona şi
icircn 3D a precizat Ergin Aşa-numitele materiale ale invizibilităţii sunt
nanomateriale cu dimensiuni de ordinul milionimilor de metru Sunt
capabile sa devieze undele luminoase orientacircndu-le icircn jurul unui obiect
pacircnă cacircnd icircl icircnfăşoară ca o găoace aceasta comportacircndu-se de fapt ca o
manta a invizibilităţii
Obiectele pot fi făcute să pară invizibile lungimilor mari de undă
precum cele utilizate de radare dar nu şi acelora mai mici caracteristice
luminii Oamenii de ştiinţă speră să creeze materiale capabile să forţeze
circularea pe lacircngă un obiect a luminii astfel icircncacirct să icircl mascheze icircn faţa
ochiului uman şi să icircl facă practic invizibil Suprafeţele vor putea fi astfel
determinate să manipuleze toate formele de radiaţie cum ar fi lumina
microundele sau radiaţia
terahertziană conducacircnd la potenţiale
aplicaţii icircn medicină securitate şi
comunicaţii Echipele de cercetare
24
sunt coordonate de profesorul Sir John Pendry o autoritate de talie
mondiala icircn fizică de la ICL care a propus pentru prima oară icircn anul 2006
şi de către profesorul Ştefan Maier un vacircrf de lance icircn domeniul
plasmonicii sau tehnologiei undelor electromagnetice
Fig21 Exemplu de camuflaj vizibil Bombardier Stealth (SUA) ndash negru
(absorbant) icircn microunde şi vizibil
6 Bibliografie
Metaflex-mirajul invizibilităţii Revista Evrika nr12 decembrie 2010
George Nemeş Materiale cu indice de refracţie negativ (metamateriale)
Principii fizice si perspective 2005
G V Eleftheriades K G Balmain Negative-Refraction Metamaterials
Fundamental Principles and Applications Wiley Canada 2005
25
C Caloz T Itoh Electromagnetic Metamaterials Transmission Line
Theory and Microwave Applications Wiley Hoboken NJ 2006
Metaflex-primul material cu adevărat invizibil wwwdescoperăro
N Garcia and M Nieto-Vesperinas Phys Rev Lett 88 207403 (2002)
Sergiu Langa şi Ion Tighineanu UNIVERSITATEA TEHNICĂ A
MOLDOVEI FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE vol 1 nr 4 2000
httpwwwstandrewsacuk~ulfinvisibilityhtml
26
- Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de domeniul science fiction a declarat profesorul Milton
- Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991 de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
- Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a acestuia
-
al doilea foloseşte fire minuscule de argint Componenţa ambelor materiale
poate fi analizată la scară nanometrică Ambele creaţii ale oamenilor de
ştiinţă sunt metamateriale structuri realizate artificial care au proprietăţi ce
nu se icircntacirclnesc icircn natură cum ar fi indicele de refracţie negativ Două echipe
au lucrat separat la elaborarea materialelor
sub conducerea lui Xiang Zhang de la Centrul
de inginerie şi ştiinţă nanometrică din cadrul
Universităţii Berkley California Fiecare
dintre noile materiale are proprietăţi de
reflectare a luminii icircn valuri de lungime
limitată astfel icircncacirct nimeni nu le poate utiliza
pentru a ascunde clădiri de sateliţi a declarat
Jason Valentine membru al uneia dintre echipe De fapt nu ascundem
nimic Nu cred că trebuie să fim icircngrijoraţi de persoane invizibile care să
umble icircn jurul nostru icircn viitorul apropiat Să fiu cinstit suntem abia la
icircnceput icircn ceea ce priveşte cercetările privind invizibilitatea a spus
Valentine Echipa lui Valentine a realizat un material care influenţează
lumina din apropierea spectrului vizibil icircntr-o regiune folosită icircn cadrul
fibrelor optice Icircn materialele naturale indicele de refracţie care măsoară
modul icircn care lumina acţionează icircntr-un mediu este pozitiv a spus el
Atunci cacircnd vezi un peşte icircn apă acesta va apărea icircn faţa poziţiei icircn care se
află de fapt Dacă pui un băţ icircn apă acesta pare să se icircndoaie a precizat el
menţionacircnd că aceste iluzii sunt provocate de modul icircn care lumina se
refractă atunci cacircnd se mişcă icircntre apă şi aer
Icircnconjoară obiectul ce se doreşte invizibil cu un metamaterial (Fig19)care
să deformeze traseul razelor de lumină prin metamaterial ocolind obiectul
şi care să le recombine după obiect aşa cum erau icircnainte de obiect astfel
obiectul nu este vizibil
Fig19
21
Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de
pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns
profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific
cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991
de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru
Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors
niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru
Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea
Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul
timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al
bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici
au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale
cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că
obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci
cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a
spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi
mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu
are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric
vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un
obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a
acestuia
Foarte flexibil dar mai ales ldquoinvizibilrdquo Metaflex face parte din
categoria metamaterialelor capabile sa devieze traiectoria radiaţiilor făcacircnd
invizibile obiectele Metaflex a fost realizat de cercetătorul italian Andrea
22
Di Falco şi echipa lui de la Universitatea St Andrews din Scoţia Metaflex
constituie subiectul proiectului de cercetare icircn cadrul EPSRC( Engineering
and Physical Science Research Council) denumit bdquoMetaflex- materiale pe
straturi optice transparente flexibilerdquo avacircnd ca scop fabricarea
metamaterialelor icircn membrane foarte subţiri şi flexibile După cum au
explicat oamenii de ştiinţă icircntr-un articol publicat icircn New Journal of
Physics incredibila elasticitate a materialului permite imaginarea unor
aplicaţii SF precum hainele icircn măsura să-l facă pe cel care le poartă
invizibil Găsirea unei modalităţi de a ascunde obiecte de lumina vizibilă
este o veche idee fixă de-a oamenilor de ştiinţă Primele succese icircn acest
sens au fost reprezentate de crearea unor materiale cu caracteristici electrice
şi magnetice speciale Aceste metamateriale care au proprietăţile datorită
structurii geometrice a atomilor sunt icircn măsură să facă să treacă o radiaţie
electromagnetică icircn jurul unui obiect Astfel obiectul devine invizibil
deoarece eludează incidenţa şi reflexia radiaţiei Pacircnă astăzi cercetătorii au
reuşit să creeze materiale invizibile la microunde şi raze infraroşii dar nu şi
la lumina vizibilă Dificultatea de a face un obiect transparent la radiaţia
luminoasă stă icircn faptul că trebuie lucrat pe geometrii infinit de mici
capabile să interacţioneze cu lumina care are o lungime de undă de ordinul
a doar cacircteva sute de nanometri Odată depaşită această dificultate
cercetătorii s-au văzut nevoiţi să icircnfrunte o alta proiectarea unui meta-
material care sa nu fie rigid ci flexibil astfel icircncacirct să poată fi utilizat pentru
fabricarea obiectelor elastice Echipa lui Di Falco a reuşit să depăşească şi
acest ultim obstacol obţinacircnd un pătrăţel de cacircţiva centimetri pătraţi şi o
grosime de 4 micrometri care face obiectele transparente la lumina
portocalie Mai rămacircne de văzut dacă aceste caracteristici ale materialului se
modifică atunci cacircnd este icircndoit sau rămacircn neschimbate icircn primul caz
invenţia va deschide calea realizării unei noi clase de lentile icircn al doilea
punerii la punct a unei adevărate pelerine a invizibilităţii Flexibilitatea
23
metaflexului permite proiectarea şi fabricarea unui sistem de camuflaj
deoarece materialul se poate adapta mediului icircnconjurător
Icircn cadrul studiului lor un grup de cercetători germani si englezi
coordonaţi de Tolga Ergin şi Nicolas Stenger de la Institutul de Tehnologie
din Karlsruhe au utilizat mantaua tridimensională pentru a face invizibilă o
protuberanţă de pe o suprafaţă de aur Mantaua este compusă din lentile
speciale asamblate icircntr-o structură polimerică lentile a căror caracteristică
este aceea de a se lega parţial de undele luminoase astfel icircncacirct să icircmpiedice
lumina să se difuzeze Toate structurile de acest gen realizate pacircnă icircn
prezent sunt bidimensionale dar ulterior a demonstrat că poate funcţiona şi
icircn 3D a precizat Ergin Aşa-numitele materiale ale invizibilităţii sunt
nanomateriale cu dimensiuni de ordinul milionimilor de metru Sunt
capabile sa devieze undele luminoase orientacircndu-le icircn jurul unui obiect
pacircnă cacircnd icircl icircnfăşoară ca o găoace aceasta comportacircndu-se de fapt ca o
manta a invizibilităţii
Obiectele pot fi făcute să pară invizibile lungimilor mari de undă
precum cele utilizate de radare dar nu şi acelora mai mici caracteristice
luminii Oamenii de ştiinţă speră să creeze materiale capabile să forţeze
circularea pe lacircngă un obiect a luminii astfel icircncacirct să icircl mascheze icircn faţa
ochiului uman şi să icircl facă practic invizibil Suprafeţele vor putea fi astfel
determinate să manipuleze toate formele de radiaţie cum ar fi lumina
microundele sau radiaţia
terahertziană conducacircnd la potenţiale
aplicaţii icircn medicină securitate şi
comunicaţii Echipele de cercetare
24
sunt coordonate de profesorul Sir John Pendry o autoritate de talie
mondiala icircn fizică de la ICL care a propus pentru prima oară icircn anul 2006
şi de către profesorul Ştefan Maier un vacircrf de lance icircn domeniul
plasmonicii sau tehnologiei undelor electromagnetice
Fig21 Exemplu de camuflaj vizibil Bombardier Stealth (SUA) ndash negru
(absorbant) icircn microunde şi vizibil
6 Bibliografie
Metaflex-mirajul invizibilităţii Revista Evrika nr12 decembrie 2010
George Nemeş Materiale cu indice de refracţie negativ (metamateriale)
Principii fizice si perspective 2005
G V Eleftheriades K G Balmain Negative-Refraction Metamaterials
Fundamental Principles and Applications Wiley Canada 2005
25
C Caloz T Itoh Electromagnetic Metamaterials Transmission Line
Theory and Microwave Applications Wiley Hoboken NJ 2006
Metaflex-primul material cu adevărat invizibil wwwdescoperăro
N Garcia and M Nieto-Vesperinas Phys Rev Lett 88 207403 (2002)
Sergiu Langa şi Ion Tighineanu UNIVERSITATEA TEHNICĂ A
MOLDOVEI FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE vol 1 nr 4 2000
httpwwwstandrewsacuk~ulfinvisibilityhtml
26
- Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de domeniul science fiction a declarat profesorul Milton
- Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991 de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
- Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a acestuia
-
Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de
pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns
profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific
cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991
de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru
Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors
niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru
Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea
Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul
timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al
bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici
au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale
cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că
obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci
cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a
spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi
mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu
are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric
vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un
obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a
acestuia
Foarte flexibil dar mai ales ldquoinvizibilrdquo Metaflex face parte din
categoria metamaterialelor capabile sa devieze traiectoria radiaţiilor făcacircnd
invizibile obiectele Metaflex a fost realizat de cercetătorul italian Andrea
22
Di Falco şi echipa lui de la Universitatea St Andrews din Scoţia Metaflex
constituie subiectul proiectului de cercetare icircn cadrul EPSRC( Engineering
and Physical Science Research Council) denumit bdquoMetaflex- materiale pe
straturi optice transparente flexibilerdquo avacircnd ca scop fabricarea
metamaterialelor icircn membrane foarte subţiri şi flexibile După cum au
explicat oamenii de ştiinţă icircntr-un articol publicat icircn New Journal of
Physics incredibila elasticitate a materialului permite imaginarea unor
aplicaţii SF precum hainele icircn măsura să-l facă pe cel care le poartă
invizibil Găsirea unei modalităţi de a ascunde obiecte de lumina vizibilă
este o veche idee fixă de-a oamenilor de ştiinţă Primele succese icircn acest
sens au fost reprezentate de crearea unor materiale cu caracteristici electrice
şi magnetice speciale Aceste metamateriale care au proprietăţile datorită
structurii geometrice a atomilor sunt icircn măsură să facă să treacă o radiaţie
electromagnetică icircn jurul unui obiect Astfel obiectul devine invizibil
deoarece eludează incidenţa şi reflexia radiaţiei Pacircnă astăzi cercetătorii au
reuşit să creeze materiale invizibile la microunde şi raze infraroşii dar nu şi
la lumina vizibilă Dificultatea de a face un obiect transparent la radiaţia
luminoasă stă icircn faptul că trebuie lucrat pe geometrii infinit de mici
capabile să interacţioneze cu lumina care are o lungime de undă de ordinul
a doar cacircteva sute de nanometri Odată depaşită această dificultate
cercetătorii s-au văzut nevoiţi să icircnfrunte o alta proiectarea unui meta-
material care sa nu fie rigid ci flexibil astfel icircncacirct să poată fi utilizat pentru
fabricarea obiectelor elastice Echipa lui Di Falco a reuşit să depăşească şi
acest ultim obstacol obţinacircnd un pătrăţel de cacircţiva centimetri pătraţi şi o
grosime de 4 micrometri care face obiectele transparente la lumina
portocalie Mai rămacircne de văzut dacă aceste caracteristici ale materialului se
modifică atunci cacircnd este icircndoit sau rămacircn neschimbate icircn primul caz
invenţia va deschide calea realizării unei noi clase de lentile icircn al doilea
punerii la punct a unei adevărate pelerine a invizibilităţii Flexibilitatea
23
metaflexului permite proiectarea şi fabricarea unui sistem de camuflaj
deoarece materialul se poate adapta mediului icircnconjurător
Icircn cadrul studiului lor un grup de cercetători germani si englezi
coordonaţi de Tolga Ergin şi Nicolas Stenger de la Institutul de Tehnologie
din Karlsruhe au utilizat mantaua tridimensională pentru a face invizibilă o
protuberanţă de pe o suprafaţă de aur Mantaua este compusă din lentile
speciale asamblate icircntr-o structură polimerică lentile a căror caracteristică
este aceea de a se lega parţial de undele luminoase astfel icircncacirct să icircmpiedice
lumina să se difuzeze Toate structurile de acest gen realizate pacircnă icircn
prezent sunt bidimensionale dar ulterior a demonstrat că poate funcţiona şi
icircn 3D a precizat Ergin Aşa-numitele materiale ale invizibilităţii sunt
nanomateriale cu dimensiuni de ordinul milionimilor de metru Sunt
capabile sa devieze undele luminoase orientacircndu-le icircn jurul unui obiect
pacircnă cacircnd icircl icircnfăşoară ca o găoace aceasta comportacircndu-se de fapt ca o
manta a invizibilităţii
Obiectele pot fi făcute să pară invizibile lungimilor mari de undă
precum cele utilizate de radare dar nu şi acelora mai mici caracteristice
luminii Oamenii de ştiinţă speră să creeze materiale capabile să forţeze
circularea pe lacircngă un obiect a luminii astfel icircncacirct să icircl mascheze icircn faţa
ochiului uman şi să icircl facă practic invizibil Suprafeţele vor putea fi astfel
determinate să manipuleze toate formele de radiaţie cum ar fi lumina
microundele sau radiaţia
terahertziană conducacircnd la potenţiale
aplicaţii icircn medicină securitate şi
comunicaţii Echipele de cercetare
24
sunt coordonate de profesorul Sir John Pendry o autoritate de talie
mondiala icircn fizică de la ICL care a propus pentru prima oară icircn anul 2006
şi de către profesorul Ştefan Maier un vacircrf de lance icircn domeniul
plasmonicii sau tehnologiei undelor electromagnetice
Fig21 Exemplu de camuflaj vizibil Bombardier Stealth (SUA) ndash negru
(absorbant) icircn microunde şi vizibil
6 Bibliografie
Metaflex-mirajul invizibilităţii Revista Evrika nr12 decembrie 2010
George Nemeş Materiale cu indice de refracţie negativ (metamateriale)
Principii fizice si perspective 2005
G V Eleftheriades K G Balmain Negative-Refraction Metamaterials
Fundamental Principles and Applications Wiley Canada 2005
25
C Caloz T Itoh Electromagnetic Metamaterials Transmission Line
Theory and Microwave Applications Wiley Hoboken NJ 2006
Metaflex-primul material cu adevărat invizibil wwwdescoperăro
N Garcia and M Nieto-Vesperinas Phys Rev Lett 88 207403 (2002)
Sergiu Langa şi Ion Tighineanu UNIVERSITATEA TEHNICĂ A
MOLDOVEI FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE vol 1 nr 4 2000
httpwwwstandrewsacuk~ulfinvisibilityhtml
26
- Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de domeniul science fiction a declarat profesorul Milton
- Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991 de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
- Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a acestuia
-
Di Falco şi echipa lui de la Universitatea St Andrews din Scoţia Metaflex
constituie subiectul proiectului de cercetare icircn cadrul EPSRC( Engineering
and Physical Science Research Council) denumit bdquoMetaflex- materiale pe
straturi optice transparente flexibilerdquo avacircnd ca scop fabricarea
metamaterialelor icircn membrane foarte subţiri şi flexibile După cum au
explicat oamenii de ştiinţă icircntr-un articol publicat icircn New Journal of
Physics incredibila elasticitate a materialului permite imaginarea unor
aplicaţii SF precum hainele icircn măsura să-l facă pe cel care le poartă
invizibil Găsirea unei modalităţi de a ascunde obiecte de lumina vizibilă
este o veche idee fixă de-a oamenilor de ştiinţă Primele succese icircn acest
sens au fost reprezentate de crearea unor materiale cu caracteristici electrice
şi magnetice speciale Aceste metamateriale care au proprietăţile datorită
structurii geometrice a atomilor sunt icircn măsură să facă să treacă o radiaţie
electromagnetică icircn jurul unui obiect Astfel obiectul devine invizibil
deoarece eludează incidenţa şi reflexia radiaţiei Pacircnă astăzi cercetătorii au
reuşit să creeze materiale invizibile la microunde şi raze infraroşii dar nu şi
la lumina vizibilă Dificultatea de a face un obiect transparent la radiaţia
luminoasă stă icircn faptul că trebuie lucrat pe geometrii infinit de mici
capabile să interacţioneze cu lumina care are o lungime de undă de ordinul
a doar cacircteva sute de nanometri Odată depaşită această dificultate
cercetătorii s-au văzut nevoiţi să icircnfrunte o alta proiectarea unui meta-
material care sa nu fie rigid ci flexibil astfel icircncacirct să poată fi utilizat pentru
fabricarea obiectelor elastice Echipa lui Di Falco a reuşit să depăşească şi
acest ultim obstacol obţinacircnd un pătrăţel de cacircţiva centimetri pătraţi şi o
grosime de 4 micrometri care face obiectele transparente la lumina
portocalie Mai rămacircne de văzut dacă aceste caracteristici ale materialului se
modifică atunci cacircnd este icircndoit sau rămacircn neschimbate icircn primul caz
invenţia va deschide calea realizării unei noi clase de lentile icircn al doilea
punerii la punct a unei adevărate pelerine a invizibilităţii Flexibilitatea
23
metaflexului permite proiectarea şi fabricarea unui sistem de camuflaj
deoarece materialul se poate adapta mediului icircnconjurător
Icircn cadrul studiului lor un grup de cercetători germani si englezi
coordonaţi de Tolga Ergin şi Nicolas Stenger de la Institutul de Tehnologie
din Karlsruhe au utilizat mantaua tridimensională pentru a face invizibilă o
protuberanţă de pe o suprafaţă de aur Mantaua este compusă din lentile
speciale asamblate icircntr-o structură polimerică lentile a căror caracteristică
este aceea de a se lega parţial de undele luminoase astfel icircncacirct să icircmpiedice
lumina să se difuzeze Toate structurile de acest gen realizate pacircnă icircn
prezent sunt bidimensionale dar ulterior a demonstrat că poate funcţiona şi
icircn 3D a precizat Ergin Aşa-numitele materiale ale invizibilităţii sunt
nanomateriale cu dimensiuni de ordinul milionimilor de metru Sunt
capabile sa devieze undele luminoase orientacircndu-le icircn jurul unui obiect
pacircnă cacircnd icircl icircnfăşoară ca o găoace aceasta comportacircndu-se de fapt ca o
manta a invizibilităţii
Obiectele pot fi făcute să pară invizibile lungimilor mari de undă
precum cele utilizate de radare dar nu şi acelora mai mici caracteristice
luminii Oamenii de ştiinţă speră să creeze materiale capabile să forţeze
circularea pe lacircngă un obiect a luminii astfel icircncacirct să icircl mascheze icircn faţa
ochiului uman şi să icircl facă practic invizibil Suprafeţele vor putea fi astfel
determinate să manipuleze toate formele de radiaţie cum ar fi lumina
microundele sau radiaţia
terahertziană conducacircnd la potenţiale
aplicaţii icircn medicină securitate şi
comunicaţii Echipele de cercetare
24
sunt coordonate de profesorul Sir John Pendry o autoritate de talie
mondiala icircn fizică de la ICL care a propus pentru prima oară icircn anul 2006
şi de către profesorul Ştefan Maier un vacircrf de lance icircn domeniul
plasmonicii sau tehnologiei undelor electromagnetice
Fig21 Exemplu de camuflaj vizibil Bombardier Stealth (SUA) ndash negru
(absorbant) icircn microunde şi vizibil
6 Bibliografie
Metaflex-mirajul invizibilităţii Revista Evrika nr12 decembrie 2010
George Nemeş Materiale cu indice de refracţie negativ (metamateriale)
Principii fizice si perspective 2005
G V Eleftheriades K G Balmain Negative-Refraction Metamaterials
Fundamental Principles and Applications Wiley Canada 2005
25
C Caloz T Itoh Electromagnetic Metamaterials Transmission Line
Theory and Microwave Applications Wiley Hoboken NJ 2006
Metaflex-primul material cu adevărat invizibil wwwdescoperăro
N Garcia and M Nieto-Vesperinas Phys Rev Lett 88 207403 (2002)
Sergiu Langa şi Ion Tighineanu UNIVERSITATEA TEHNICĂ A
MOLDOVEI FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE vol 1 nr 4 2000
httpwwwstandrewsacuk~ulfinvisibilityhtml
26
- Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de domeniul science fiction a declarat profesorul Milton
- Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991 de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
- Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a acestuia
-
metaflexului permite proiectarea şi fabricarea unui sistem de camuflaj
deoarece materialul se poate adapta mediului icircnconjurător
Icircn cadrul studiului lor un grup de cercetători germani si englezi
coordonaţi de Tolga Ergin şi Nicolas Stenger de la Institutul de Tehnologie
din Karlsruhe au utilizat mantaua tridimensională pentru a face invizibilă o
protuberanţă de pe o suprafaţă de aur Mantaua este compusă din lentile
speciale asamblate icircntr-o structură polimerică lentile a căror caracteristică
este aceea de a se lega parţial de undele luminoase astfel icircncacirct să icircmpiedice
lumina să se difuzeze Toate structurile de acest gen realizate pacircnă icircn
prezent sunt bidimensionale dar ulterior a demonstrat că poate funcţiona şi
icircn 3D a precizat Ergin Aşa-numitele materiale ale invizibilităţii sunt
nanomateriale cu dimensiuni de ordinul milionimilor de metru Sunt
capabile sa devieze undele luminoase orientacircndu-le icircn jurul unui obiect
pacircnă cacircnd icircl icircnfăşoară ca o găoace aceasta comportacircndu-se de fapt ca o
manta a invizibilităţii
Obiectele pot fi făcute să pară invizibile lungimilor mari de undă
precum cele utilizate de radare dar nu şi acelora mai mici caracteristice
luminii Oamenii de ştiinţă speră să creeze materiale capabile să forţeze
circularea pe lacircngă un obiect a luminii astfel icircncacirct să icircl mascheze icircn faţa
ochiului uman şi să icircl facă practic invizibil Suprafeţele vor putea fi astfel
determinate să manipuleze toate formele de radiaţie cum ar fi lumina
microundele sau radiaţia
terahertziană conducacircnd la potenţiale
aplicaţii icircn medicină securitate şi
comunicaţii Echipele de cercetare
24
sunt coordonate de profesorul Sir John Pendry o autoritate de talie
mondiala icircn fizică de la ICL care a propus pentru prima oară icircn anul 2006
şi de către profesorul Ştefan Maier un vacircrf de lance icircn domeniul
plasmonicii sau tehnologiei undelor electromagnetice
Fig21 Exemplu de camuflaj vizibil Bombardier Stealth (SUA) ndash negru
(absorbant) icircn microunde şi vizibil
6 Bibliografie
Metaflex-mirajul invizibilităţii Revista Evrika nr12 decembrie 2010
George Nemeş Materiale cu indice de refracţie negativ (metamateriale)
Principii fizice si perspective 2005
G V Eleftheriades K G Balmain Negative-Refraction Metamaterials
Fundamental Principles and Applications Wiley Canada 2005
25
C Caloz T Itoh Electromagnetic Metamaterials Transmission Line
Theory and Microwave Applications Wiley Hoboken NJ 2006
Metaflex-primul material cu adevărat invizibil wwwdescoperăro
N Garcia and M Nieto-Vesperinas Phys Rev Lett 88 207403 (2002)
Sergiu Langa şi Ion Tighineanu UNIVERSITATEA TEHNICĂ A
MOLDOVEI FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE vol 1 nr 4 2000
httpwwwstandrewsacuk~ulfinvisibilityhtml
26
- Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de domeniul science fiction a declarat profesorul Milton
- Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991 de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
- Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a acestuia
-
sunt coordonate de profesorul Sir John Pendry o autoritate de talie
mondiala icircn fizică de la ICL care a propus pentru prima oară icircn anul 2006
şi de către profesorul Ştefan Maier un vacircrf de lance icircn domeniul
plasmonicii sau tehnologiei undelor electromagnetice
Fig21 Exemplu de camuflaj vizibil Bombardier Stealth (SUA) ndash negru
(absorbant) icircn microunde şi vizibil
6 Bibliografie
Metaflex-mirajul invizibilităţii Revista Evrika nr12 decembrie 2010
George Nemeş Materiale cu indice de refracţie negativ (metamateriale)
Principii fizice si perspective 2005
G V Eleftheriades K G Balmain Negative-Refraction Metamaterials
Fundamental Principles and Applications Wiley Canada 2005
25
C Caloz T Itoh Electromagnetic Metamaterials Transmission Line
Theory and Microwave Applications Wiley Hoboken NJ 2006
Metaflex-primul material cu adevărat invizibil wwwdescoperăro
N Garcia and M Nieto-Vesperinas Phys Rev Lett 88 207403 (2002)
Sergiu Langa şi Ion Tighineanu UNIVERSITATEA TEHNICĂ A
MOLDOVEI FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE vol 1 nr 4 2000
httpwwwstandrewsacuk~ulfinvisibilityhtml
26
- Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de domeniul science fiction a declarat profesorul Milton
- Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991 de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
- Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a acestuia
-
C Caloz T Itoh Electromagnetic Metamaterials Transmission Line
Theory and Microwave Applications Wiley Hoboken NJ 2006
Metaflex-primul material cu adevărat invizibil wwwdescoperăro
N Garcia and M Nieto-Vesperinas Phys Rev Lett 88 207403 (2002)
Sergiu Langa şi Ion Tighineanu UNIVERSITATEA TEHNICĂ A
MOLDOVEI FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE vol 1 nr 4 2000
httpwwwstandrewsacuk~ulfinvisibilityhtml
26
- Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de domeniul science fiction a declarat profesorul Milton
- Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991 de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20
- Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a acestuia
-
top related