Cloaking de metamaterial - Metamaterial cloaking

A camuflagem de metamateriais é o uso de metamateriais em uma capa de invisibilidade . Isso é conseguido manipulando os caminhos percorridos pela luz através de um novo material óptico. Metamateriais dirigem e controlam a propagação e transmissão de partes específicas do espectro de luz e demonstram o potencial de tornar um objeto aparentemente invisível . A camuflagem de metamateriais, com base na ótica de transformação , descreve o processo de proteger algo da vista por meio do controle da radiação eletromagnética . Os objetos no local definido ainda estão presentes, mas as ondas incidentes são guiadas ao redor deles sem serem afetadas pelo próprio objeto.

Metamateriais eletromagnéticos

Os metamateriais eletromagnéticos respondem a partes escolhidas da luz irradiada, também conhecidas como espectro eletromagnético , de uma maneira que é difícil ou impossível de se obter com materiais naturais . Em outras palavras, esses metamateriais podem ser ainda definidos como materiais compósitos estruturados artificialmente , que exibem interação com a luz geralmente não disponível na natureza ( interações eletromagnéticas ). Ao mesmo tempo, os metamateriais têm o potencial de serem projetados e construídos com propriedades desejáveis que atendem a uma necessidade específica. Essa necessidade será determinada pelo aplicativo específico.

A estrutura artificial para aplicativos de camuflagem é um design de treliça - uma rede que se repete sequencialmente - de elementos idênticos. Além disso, para frequências de microondas , esses materiais são análogos aos cristais para óptica . Além disso, um metamaterial é composto por uma sequência de elementos e espaçamentos, que são muito menores do que o comprimento de onda de luz selecionado . O comprimento de onda selecionado pode ser radiofrequência , micro-ondas ou outras radiações, agora apenas começando a atingir as frequências visíveis . As propriedades macroscópicas podem ser controladas diretamente ajustando as características dos elementos rudimentares e sua disposição no material ou em todo o material. Além disso, esses metamateriais são uma base para a construção de dispositivos de camuflagem muito pequenos em antecipação a dispositivos maiores, adaptáveis a um amplo espectro de luz irradiada.

Conseqüentemente, embora a luz consista em um campo elétrico e um campo magnético , os materiais ópticos comuns, como lentes de microscópio óptico , têm uma forte reação apenas ao campo elétrico. A interação magnética correspondente é essencialmente nula. Isso resulta em apenas os efeitos ópticos mais comuns , como refração comum com limitações de difração comuns em lentes e imagens .

Desde o início das ciências ópticas , séculos atrás, a capacidade de controlar a luz com materiais foi limitada a esses efeitos ópticos comuns. Metamateriais, por outro lado, são capazes de uma interação muito forte, ou acoplamento, com o componente magnético da luz. Portanto, a faixa de resposta à luz irradiada é expandida além das limitações ópticas comuns que são descritas pelas ciências da óptica física e da física óptica . Além disso, como materiais construídos artificialmente, ambos os componentes magnéticos e elétricos da luz irradiada podem ser controlados à vontade, de qualquer forma desejada à medida que viaja, ou mais precisamente se propaga , através do material. Isso ocorre porque o comportamento de um metamaterial é normalmente formado a partir de componentes individuais, e cada componente responde independentemente a um espectro de luz irradiado . No momento, no entanto, os metamateriais são limitados. A camuflagem de um amplo espectro de frequências não foi alcançada, incluindo o espectro visível . Dissipação , absorção e dispersão também são desvantagens atuais, mas este campo ainda está em sua infância otimista.

Metamateriais e óptica de transformação

Esquerda: A seção transversal de um cilindro PEC sujeito a uma onda plana (apenas o componente do campo elétrico da onda é mostrado). O campo está espalhado. À direita: um manto circular, projetado usando métodos de ótica de transformação, é usado para encobrir o cilindro. Neste caso, o campo permanece inalterado fora da capa e o cilindro é invisível eletromagneticamente. Observe o padrão de distorção especial do campo dentro da capa.

O campo da óptica de transformação é fundado nos efeitos produzidos pelos metamateriais.

A ótica da transformação tem seu início nas conclusões de dois empreendimentos de pesquisa. Eles foram publicados em 25 de maio de 2006, na mesma edição da Science , uma revista revisada por pares. Os dois artigos são teorias sustentáveis sobre dobrar ou distorcer a luz para ocultar eletromagneticamente um objeto. Ambos os artigos mapeiam notavelmente a configuração inicial dos campos eletromagnéticos em uma malha cartesiana . Torcer a malha cartesiana, em essência, transforma as coordenadas dos campos eletromagnéticos, que por sua vez ocultam um determinado objeto. Assim, com esses dois artigos, nasce a óptica da transformação.

A óptica de transformação subscreve a capacidade de dobrar luz , ou ondas eletromagnéticas e energia , de qualquer forma preferida ou desejada, para uma aplicação desejada. As equações de Maxwell não variam, embora as coordenadas se transformem. Em vez disso, são os valores dos parâmetros escolhidos dos materiais que "se transformam", ou se alteram, durante um determinado período de tempo. Assim, a ótica de transformação se desenvolveu a partir da capacidade de escolher os parâmetros para um determinado material. Portanto, como as equações de Maxwell mantêm a mesma forma, são os valores sucessivos dos parâmetros, permissividade e permeabilidade , que mudam com o tempo. Além disso, a permissividade e a permeabilidade são, em certo sentido, respostas aos campos elétrico e magnético de uma fonte de luz irradiada, respectivamente, entre outras descrições. O grau preciso de resposta elétrica e magnética pode ser controlado em um metamaterial, ponto a ponto. Uma vez que tanto controle pode ser mantido sobre as respostas do material, isso leva a um material de índice gradiente aprimorado e altamente flexível . O índice de refração convencionalmente predeterminado de materiais comuns, em vez disso, torna-se gradientes espaciais independentes em um metamaterial, que pode ser controlado à vontade. Portanto, a óptica de transformação é um novo método para a criação de dispositivos ópticos novos e exclusivos .

Ciência dos dispositivos de camuflagem

O objetivo de um dispositivo de camuflagem é esconder algo, de modo que uma região definida do espaço seja invisivelmente isolada dos campos eletromagnéticos (ou ondas sonoras ) que passam , como acontece com o camuflamento de metamateriais .

Cobrir objetos, ou fazê-los parecer invisíveis com metamateriais , é aproximadamente análogo ao truque de mágica de um mágico ou seus truques com espelhos. O objeto ou sujeito não desaparece realmente; o desaparecimento é uma ilusão. Com o mesmo objetivo, os pesquisadores empregam metamateriais para criar pontos cegos direcionados, desviando certas partes do espectro de luz (espectro eletromagnético). É o espectro de luz, como meio de transmissão , que determina o que o olho humano pode ver.

Em outras palavras, a luz é refratada ou refletida determinando a visão, cor ou ilusão que é vista. A extensão visível da luz é vista em um espectro cromático como o arco - íris . No entanto, a luz visível é apenas parte de um amplo espectro, que se estende além do sentido da visão. Por exemplo, existem outras partes do espectro de luz que são de uso comum hoje. O espectro de microondas é empregado por radar , telefones celulares e Internet sem fio . O espectro infravermelho é usado para tecnologias de imagem térmica , que podem detectar um corpo quente em um ambiente noturno mais frio, e a iluminação infravermelha é combinada com câmeras digitais especializadas para visão noturna . Os astrônomos empregam a banda terahertz para observações submilimétricas para responder a questões cosmológicas profundas .

Além disso, a energia eletromagnética é luz, mas apenas uma pequena parte dela é luz visível . Essa energia viaja em ondas. Comprimentos de onda mais curtos, como luz visível e infravermelho , transportam mais energia por fóton do que ondas mais longas, como microondas e ondas de rádio . Para as ciências , o espectro de luz é conhecido como espectro eletromagnético .

As propriedades da ótica e da luz

Prismas , espelhos e lentes têm uma longa história de alteração da luz visível difratada que envolve tudo. No entanto, o controle exibido por esses materiais comuns é limitado. Além disso, o único material comum entre esses três tipos de diretores de luz é o vidro convencional . Conseqüentemente, essas tecnologias familiares são restringidas pelas leis físicas fundamentais da óptica . Com metamateriais em geral, e a tecnologia de camuflagem em particular, parece que essas barreiras se desintegram com avanços em materiais e tecnologias nunca antes realizados nas ciências físicas naturais . Esses materiais exclusivos tornaram-se notáveis porque a radiação eletromagnética pode ser dobrada, refletida ou distorcida de novas maneiras. A luz irradiada pode até ser reduzida ou capturada antes da transmissão. Em outras palavras, novas maneiras de focalizar e projetar luz e outras radiações estão sendo desenvolvidas. Além disso, os poderes ópticos expandidos apresentados na ciência de objetos de camuflagem parecem ser tecnologicamente benéficos em um amplo espectro de dispositivos já em uso. Isso significa que todo dispositivo com funções básicas que dependem da interação com o espectro eletromagnético irradiado pode avançar tecnologicamente. Com essas etapas iniciais, uma nova classe de ótica foi estabelecida.

Interesse nas propriedades da ótica e da luz

O interesse nas propriedades da ótica e da luz remonta a quase 2.000 anos a Ptolomeu (85 - 165 AD). Em seu trabalho intitulado Óptica , ele escreve sobre as propriedades da luz , incluindo reflexão , refração e cor . Ele desenvolveu uma equação simplificada para refração sem funções trigonométricas . Cerca de 800 anos depois, em 984 DC, Ibn Sahl descobriu uma lei de refração matematicamente equivalente à lei de Snell . Ele foi seguido pelo mais notável cientista islâmico, Ibn Al-Haytham (c.965-1039), considerado "uma das poucas figuras mais destacadas da ótica em todos os tempos". Ele fez avanços significativos na ciência da física em geral e na óptica em particular. Ele antecipou as leis universais da luz articuladas pelos cientistas do século XVII por centenas de anos.

No século XVII, Willebrord Snellius e Descartes foram creditados com a descoberta da lei da refração. Foi Snellius quem observou que a equação de Ptolomeu para refração era inexata. Conseqüentemente, essas leis foram aprovadas, inalteradas por cerca de 400 anos, como as leis da gravidade.

Capa e teoria perfeitas

A radiação eletromagnética e a matéria têm uma relação simbiótica. A radiação não age simplesmente sobre um material, nem é simplesmente influenciada por um determinado material. A radiação interage com a matéria . Aplicativos de camuflagem que empregam metamateriais alteram como os objetos interagem com o espectro eletromagnético . A visão orientadora do manto de metamaterial é um dispositivo que direciona o fluxo de luz suavemente ao redor de um objeto, como a água que passa por uma rocha em um riacho, sem reflexo , tornando o objeto invisível. Na realidade, os dispositivos de camuflagem simples do presente são imperfeitos e têm limitações. Um desafio até a data atual tem sido a incapacidade dos metamateriais e dispositivos de camuflagem de interagir em frequências , ou comprimentos de onda , dentro do espectro de luz visível.

Desafios apresentados pelo primeiro dispositivo de camuflagem

O princípio de camuflagem, com um dispositivo de camuflagem, foi provado (demonstrado) pela primeira vez em frequências na faixa de radiação de microondas em 19 de outubro de 2006. Esta demonstração usou um pequeno dispositivo de camuflagem. Sua altura era inferior a meia polegada (<13 mm) e seu diâmetro de cinco polegadas (125 mm), e ele desviava com sucesso as microondas em torno de si mesmo. O objeto a ser escondido da vista, um pequeno cilindro, foi colocado no centro do dispositivo. A capa da invisibilidade desviou os feixes de micro-ondas para que fluíssem em torno do cilindro interno com apenas uma pequena distorção, fazendo com que parecesse quase como se nada estivesse lá.

Esse dispositivo normalmente envolve envolver o objeto a ser coberto com uma concha que afeta a passagem da luz próximo a ele. Houve redução da reflexão de ondas eletromagnéticas (microondas), a partir do objeto. Ao contrário de um material natural homogêneo com suas propriedades materiais iguais em todos os lugares, as propriedades materiais do manto variam de ponto a ponto, com cada ponto projetado para interações eletromagnéticas específicas (não homogeneidade) e são diferentes em diferentes direções (anisotropia). Isso cria um gradiente nas propriedades do material. O relatório associado foi publicado na revista Science .

Embora uma demonstração bem-sucedida, três limitações notáveis podem ser mostradas. Primeiro, como sua eficácia era apenas no espectro de micro - ondas, o pequeno objeto é um tanto invisível apenas em frequências de micro-ondas. Isso significa que a invisibilidade não foi alcançada para o olho humano , que vê apenas dentro do espectro visível . Isso ocorre porque os comprimentos de onda do espectro visível são tangivelmente mais curtos do que as microondas. No entanto, este foi considerado o primeiro passo em direção a um dispositivo de camuflagem para a luz visível, embora técnicas mais avançadas relacionadas com a nanotecnologia sejam necessárias devido aos comprimentos de onda curtos da luz. Em segundo lugar, apenas pequenos objetos podem aparecer como o ar circundante. No caso da prova de demonstração de camuflagem de 2006, o objeto oculto, um cilindro de cobre , teria que ter menos de cinco polegadas de diâmetro e menos de meia polegada de altura. Terceiro, a camuflagem só pode ocorrer em uma faixa de frequência estreita, para qualquer demonstração. Isso significa que um manto de banda larga, que atua em todo o espectro eletromagnético , desde as frequências de rádio até as microondas, o espectro visível e o raio-x , não está disponível no momento. Isso se deve à natureza dispersiva dos metamateriais atuais. A transformação de coordenadas ( óptica de transformação ) requer parâmetros materiais extraordinários que só são acessíveis por meio do uso de elementos ressonantes , que são inerentemente de banda estreita e dispersivos na ressonância.

Uso de metamateriais

No início do novo milênio, os metamateriais foram estabelecidos como um novo meio extraordinário, que expandiu as capacidades de controle sobre a matéria . Conseqüentemente, metamateriais são aplicados a aplicativos de camuflagem por alguns motivos. Primeiro, o parâmetro conhecido como resposta do material tem uma faixa mais ampla. Em segundo lugar, a resposta material pode ser controlada à vontade.

Terceiro, os componentes ópticos, como lentes, respondem dentro de um certo intervalo definido à luz . Como afirmado anteriormente - o intervalo de resposta foi conhecido e estudado, desde Ptolomeu - há mil e oitocentos anos. A faixa de resposta não pôde ser excedida efetivamente, porque os materiais naturais se mostraram incapazes de fazê-lo. Em estudos e pesquisas científicas, uma forma de comunicar a faixa de resposta é o índice de refração de um determinado material óptico. Todo material natural até agora permite apenas um índice de refração positivo. Metamateriais, por outro lado, são uma inovação que são capazes de atingir índice de refração negativo, índice de refração zero e valores fracionários entre zero e um. Conseqüentemente, os metamateriais estendem a resposta do material, entre outras capacidades. No entanto, a refração negativa não é o efeito que cria uma camuflagem de invisibilidade. É mais correto dizer que as gradações do índice de refração, quando combinadas, criam um manto de invisibilidade. Em quarto e último lugar, os metamateriais demonstram a capacidade de fornecer respostas escolhidas à vontade.

Dispositivo

Antes de realmente construir o dispositivo, estudos teóricos foram realizados. O seguinte é um dos dois estudos aceitos simultaneamente por uma revista científica, além de ser distinguido como um dos primeiros trabalhos teóricos publicados para uma capa de invisibilidade.

Controle de campos eletromagnéticos

Coordenadas ortogonais - plano cartesiano à medida que se transforma de coordenadas retangulares em coordenadas curvilíneas

A exploração da "luz", o espectro eletromagnético , é realizada com objetos e materiais comuns que controlam e direcionam os campos eletromagnéticos . Por exemplo, uma lente de vidro em uma câmera é usada para produzir uma imagem, uma gaiola de metal pode ser usada para filtrar equipamentos sensíveis e as antenas de rádio são projetadas para transmitir e receber transmissões FM diárias. Materiais homogêneos , que manipulam ou modulam a radiação eletromagnética , como lentes de vidro, são limitados no limite superior de refinamentos para corrigir as aberrações. Combinações de materiais de lentes não homogêneos são capazes de empregar índices de refração gradiente , mas os intervalos tendem a ser limitados.

Os metamateriais foram introduzidos há cerca de uma década e expandem o controle de partes do espectro eletromagnético ; do micro - ondas , ao terahertz , ao infravermelho . Teoricamente, os metamateriais, como meio de transmissão , irão eventualmente expandir o controle e a direção dos campos eletromagnéticos no espectro visível . Portanto, uma estratégia de projeto foi introduzida em 2006, para mostrar que um metamaterial pode ser projetado com valores positivos ou negativos atribuídos arbitrariamente de permissividade e permeabilidade , que também podem ser variados independentemente à vontade. Então, o controle direto de campos eletromagnéticos se torna possível, o que é relevante para projetos de lentes novos e incomuns, bem como um componente da teoria científica para camuflagem de objetos de detecção eletromagnética.

Cada componente responde independentemente a uma onda eletromagnética irradiada conforme ela viaja através do material, resultando em não homogeneidade eletromagnética para cada componente. Cada componente tem sua própria resposta aos campos elétricos e magnéticos externos da fonte irradiada . Uma vez que esses componentes são menores do que o comprimento de onda irradiado , entende-se que uma visão macroscópica inclui um valor efetivo para a permissividade e permeabilidade. Esses materiais obedecem às leis da física , mas se comportam de maneira diferente dos materiais normais. Metamateriais são materiais artificiais projetados para fornecer propriedades que "podem não estar prontamente disponíveis na natureza". Esses materiais geralmente ganham suas propriedades de estrutura, em vez de composição, usando a inclusão de pequenas não homogeneidades para representar um comportamento macroscópico eficaz .

As unidades estruturais de metamateriais podem ser adaptadas em forma e tamanho. Sua composição e sua forma ou estrutura podem ser ajustadas com precisão. As inclusões podem ser projetadas e, em seguida, colocadas nos locais desejados, a fim de variar a função de um determinado material. Como a rede é constante, as células são menores que a luz irradiada.

A estratégia de design tem em seu núcleo metamateriais compostos não homogêneos que direcionam, à vontade, quantidades conservadas de eletromagnetismo . Estas quantidades são, especificamente, o deslocamento elétrico D , a intensidade do campo magnético B , e o Poynting vector de S . Teoricamente, quando se trata de quantidades conservadas, ou campos, o metamaterial exibe uma capacidade dupla. Primeiro, os campos podem ser concentrados em uma determinada direção. Em segundo lugar, eles podem ser feitos para evitar ou cercar os objetos, retornando sem perturbação ao seu caminho original. Esses resultados são consistentes com as equações de Maxwell e são mais do que apenas aproximações de raios encontradas na óptica geométrica . Consequentemente, em princípio, esses efeitos podem abranger todas as formas de fenômenos de radiação eletromagnética em todas as escalas de comprimento.

A estratégia de projeto hipotética começa com a escolha intencional de uma configuração de um número arbitrário de fontes embutidas. Essas fontes tornam-se respostas localizadas de permissividade , ε, e permeabilidade magnética , μ. As fontes são embutidas em um meio de transmissão selecionado arbitrariamente com características dielétricas e magnéticas . Como um sistema eletromagnético, o meio pode então ser esquematicamente representado como uma grade.

O primeiro requisito pode ser mover um campo elétrico uniforme através do espaço, mas em uma direção definida, o que evita um objeto ou obstáculo. Em seguida, remova e incorpore o sistema em um meio elástico que pode ser empenado, torcido, puxado ou esticado conforme desejado. A condição inicial dos campos é registrada em uma malha cartesiana. Como o meio elástico é distorcido em uma, ou combinação, das possibilidades descritas, o mesmo processo de puxar e esticar é registrado pela malha cartesiana. O mesmo conjunto de contorções agora pode ser registrado, ocorrendo como transformação de coordenadas :

a (x, y, z), b (x, y, z), c (x, y, z), d (x, y, z) ....

Conseqüentemente, a permissividade, ε, e a permeabilidade, µ, são proporcionalmente calibradas por um fator comum. Isso implica que, de forma menos precisa, o mesmo ocorre com o índice de refração. Valores renormalizados de permissividade e permeabilidade são aplicados no novo sistema de coordenadas. Para as equações de renormalização, consulte a ref. #

Aplicativo para dispositivos de camuflagem

Dados os parâmetros de operação acima, o sistema, um metamaterial, pode agora ser mostrado para ser capaz de ocultar um objeto de tamanho arbitrário. Sua função é manipular os raios que chegam, que estão prestes a atingir o objeto. Esses raios que chegam são, em vez disso, direcionados eletromagneticamente ao redor do objeto pelo metamaterial, que os retorna à sua trajetória original. Como parte do projeto, pode-se presumir que nenhuma radiação deixa o volume oculto do espaço e nenhuma radiação pode entrar no espaço. Conforme ilustrado pela função do metamaterial, qualquer radiação que tente penetrar é direcionada ao redor do espaço ou do objeto dentro do espaço, retornando à direção inicial. Parece a qualquer observador que o volume oculto do espaço está vazio, mesmo com um objeto ali presente. Um objeto arbitrário pode estar oculto porque permanece intocado pela radiação externa.

Uma esfera com raio R ₁ é escolhida como o objeto a ser escondido. A região de camuflagem deve estar contida no anel R ₁ <r <R ₂ . Uma transformação simples que atinge o resultado desejado pode ser encontrada tomando todos os campos na região r <R ₂ e comprimindo-os na região R ₁ <r <R ₂ . As transformações de coordenadas não alteram as equações de Maxwell. Apenas os valores de ε ′ e µ ′ mudam com o tempo.

Obstáculos de camuflagem

Existem questões a serem tratadas para conseguir a camuflagem da invisibilidade. Um problema, relacionado ao rastreamento de raios , são os efeitos anisotrópicos do material nos raios eletromagnéticos que entram no "sistema". Feixes de raios paralelos ( veja a imagem acima ), dirigidos diretamente para o centro são abruptamente curvados e, junto com os raios vizinhos, são forçados a formar arcos cada vez mais compactos . Isto é devido a alterações rápidas no agora deslocando e transformando permissividade ε 'e permeabilidade μ'. A segunda questão é que, embora tenha sido descoberto que os metamateriais selecionados são capazes de trabalhar dentro dos parâmetros dos efeitos anisotrópicos e do deslocamento contínuo de ε ′ e µ ′, os valores para ε ′ e µ ′ não podem ser muito grandes ou muito pequeno. A terceira questão é que os metamateriais selecionados são atualmente incapazes de alcançar capacidades de amplo espectro de frequência . Isso ocorre porque os raios devem se curvar em torno da esfera "oculta" e, portanto, ter trajetórias mais longas do que atravessar o espaço livre ou o ar. No entanto, os raios devem chegar ao outro lado da esfera em fase com a luz irradiada inicial . Se isso estiver acontecendo, a velocidade da fase excede a velocidade da luz no vácuo , que é o limite de velocidade do universo. (Observe que isso não viola as leis da física). E, com uma ausência necessária de dispersão de frequência , a velocidade do grupo será idêntica à velocidade da fase . No contexto deste experimento, a velocidade do grupo nunca pode exceder a velocidade da luz, portanto, os parâmetros analíticos são eficazes para apenas uma frequência .

Mapeamento conformal óptico e traçado de raio em meios de transformação

O objetivo, então, é não criar nenhuma diferença perceptível entre um volume oculto de espaço e a propagação de ondas eletromagnéticas através do espaço vazio. Parece que conseguir um buraco perfeitamente oculto (100%), onde um objeto poderia ser colocado e escondido da vista, não é provável. O problema é o seguinte: para transportar imagens, a luz se propaga em uma faixa contínua de direções. Os dados de espalhamento de ondas eletromagnéticas, após ricochetear em um objeto ou buraco, são únicos em comparação com a propagação da luz através do espaço vazio e, portanto, são facilmente percebidos. A propagação da luz através do espaço vazio é consistente apenas com o espaço vazio. Isso inclui frequências de microondas.

Embora o raciocínio matemático mostre que a ocultação perfeita não é provável devido à natureza ondulatória da luz, esse problema não se aplica aos raios eletromagnéticos, ou seja, ao domínio da óptica geométrica . As imperfeições podem ser feitas arbitrariamente e exponencialmente pequenas para objetos que são muito maiores do que o comprimento de onda da luz.

Matematicamente, isso implica n <1, porque os raios seguem o caminho mais curto e, portanto, em teoria, criam uma ocultação perfeita. Na prática, ocorre uma certa visibilidade aceitável, conforme observado acima. A faixa do índice de refração do dielétrico (material óptico) precisa estar em um amplo espectro para alcançar a ocultação, com a ilusão criada pela propagação de ondas através do espaço vazio. Esses locais onde n <1 seriam o caminho mais curto para o raio ao redor do objeto sem distorção de fase. A propagação artificial do espaço vazio pode ser alcançada na faixa de micro-ondas a terahertz . Na tecnologia furtiva , a combinação de impedância pode resultar na absorção de ondas eletromagnéticas emitidas em vez de reflexão, portanto, evasão da detecção por radar . Esses princípios gerais também podem ser aplicados a ondas sonoras , onde o índice n descreve a relação entre a velocidade de fase local da onda e o valor em massa. Portanto, seria útil proteger um espaço de qualquer detecção de fonte de som. Isso também implica proteção contra sonar. Além disso, esses princípios gerais são aplicáveis em diversos campos, como eletrostática , mecânica dos fluidos , mecânica clássica e caos quântico .

Matematicamente, pode ser mostrado que a propagação da onda é indistinguível do espaço vazio onde os raios de luz se propagam ao longo de linhas retas. O meio realiza um mapeamento óptico conforme para o espaço vazio.

Frequências de microondas

A próxima etapa, então, é realmente ocultar um objeto controlando os campos eletromagnéticos. Agora, a capacidade demonstrada e teórica para campos eletromagnéticos controlados abriu um novo campo, a ótica de transformação . Esta nomenclatura é derivada de transformações de coordenadas usadas para criar caminhos variáveis para a propagação da luz através de um material. Esta demonstração é baseada em prescrições teóricas anteriores, juntamente com a realização do experimento do prisma. Uma aplicação possível da ótica e dos materiais de transformação é o encobrimento eletromagnético com a finalidade de tornar um volume ou objeto indetectável à radiação incidente, incluindo sondagem irradiada.

Esta demonstração, pela primeira vez, de realmente ocultar um objeto com campos eletromagnéticos, usa o método de variação espacial propositalmente projetado. Este é um efeito da incorporação de fontes eletromagnéticas propositadamente projetadas no metamaterial.

Conforme discutido anteriormente, os campos produzidos pelo metamaterial são compactados em uma casca (transformações de coordenadas) em torno do volume agora oculto. Anteriormente, isso era uma teoria apoiada; este experimento demonstrou que o efeito realmente ocorre. As equações de Maxwell são escalares ao aplicar coordenadas transformacionais, apenas o tensor de permissividade e o tensor de permeabilidade são afetados, os quais se tornam espacialmente variantes e direcionalmente dependentes ao longo de diferentes eixos. Os pesquisadores afirmam :

Ao implementar essas propriedades materiais complexas, o volume oculto mais a capa parecem ter as propriedades de espaço livre quando vistos externamente. O manto, portanto, não espalha ondas nem dá uma sombra em qualquer uma das quais permitiria que o manto fosse detectado. Outras abordagens para a invisibilidade dependem da redução do retroespalhamento ou fazem uso de uma ressonância na qual as propriedades do objeto encoberto e o devem ser cuidadosamente combinadas. ... Avanços no desenvolvimento de [metamateriais de índice negativo], especialmente com relação a lentes de índice de gradiente, tornaram viável a realização física das propriedades especificadas de materiais complexos. Implementamos uma capa bidimensional (2D) porque seus requisitos de fabricação e medição eram mais simples do que os de uma capa 3D.

Antes da demonstração propriamente dita, os limites experimentais dos campos transformacionais foram determinados computacionalmente, além das simulações, já que ambos foram usados para determinar a eficácia do manto.

Um mês antes desta demonstração, os resultados de um experimento para mapear espacialmente os campos eletromagnéticos internos e externos do metamaterial refrativo negativo foram publicados em setembro de 2006. Isso foi inovador porque antes disso os campos de microondas eram medidos apenas externamente. Neste experimento de setembro, a permissividade e permeabilidade das microestruturas (ao invés da macroestrutura externa) das amostras de metamateriais foram medidas, bem como o espalhamento pelos metamateriais de índice negativo bidimensional. Isso deu um índice de refração efetivo médio, que resulta na suposição de um metamaterial homogêneo.

Empregando esta técnica para este experimento, o mapeamento espacial das fases e amplitudes das radiações de microondas interagindo com amostras de metamateriais foi conduzido. O desempenho da capa foi confirmado pela comparação dos mapas de campo medidos com simulações.

Para esta demonstração, o objeto oculto era um cilindro condutor no raio interno da capa. Como o maior objeto possível projetado para este volume de espaço, ele possui as propriedades de espalhamento mais substanciais. O cilindro condutor foi efetivamente oculto em duas dimensões.

Frequências infravermelhas

A definição de frequência óptica, na literatura de metamateriais, varia de infravermelho distante a infravermelho próximo, através do espectro visível, e inclui pelo menos uma porção de ultravioleta. Até o momento, quando a literatura se refere a frequências ópticas, essas frequências quase sempre estão no infravermelho, que está abaixo do espectro visível. Em 2009, um grupo de pesquisadores anunciou técnicas de camuflagem em frequências ópticas. Neste caso, a frequência de camuflagem foi centrada em 1500 nm ou 1,5 micrômetros - o infravermelho.

Frequências sônicas

Um dispositivo de metamaterial de laboratório, aplicável a ondas de ultra-som , foi demonstrado em janeiro de 2011. Pode ser aplicado a comprimentos de onda de som correspondentes a frequências de 40 a 80 kHz.

A capa acústica de metamaterial é projetada para ocultar objetos submersos na água. O mecanismo de camuflagem do metamaterial dobra e torce as ondas sonoras por design intencional.

O mecanismo de camuflagem consiste em 16 anéis concêntricos em uma configuração cilíndrica. Cada anel possui circuitos acústicos. É intencionalmente projetado para guiar as ondas sonoras em duas dimensões.

Cada anel tem um índice de refração diferente . Isso faz com que as ondas sonoras variem sua velocidade de um toque a outro. “As ondas sonoras se propagam pelo anel externo, guiadas pelos canais dos circuitos, que dobram as ondas para envolvê-las nas camadas externas do manto”. Ele forma uma série de cavidades que diminuem a velocidade da propagação das ondas sonoras. Um cilindro experimental foi submerso e então desapareceu do sonar . Outros objetos de várias formas e densidades também foram ocultados do sonar. O manto acústico demonstrou eficácia para frequências de 40 kHz a 80 kHz.

Em 2014, os pesquisadores criaram um manto acústico 3D a partir de folhas de plástico empilhadas e pontilhadas com padrões repetidos de orifícios. A geometria piramidal da pilha e a localização do furo fornecem o efeito.

Invisibilidade em meios de dispersão de luz difusiva

Em 2014, os cientistas demonstraram bom desempenho de camuflagem em águas turvas, demonstrando que um objeto envolto em névoa pode desaparecer completamente quando revestido de forma adequada com metamaterial. Isso se deve ao espalhamento aleatório da luz, como ocorre nas nuvens, nevoeiro, leite, vidro fosco, etc., combinado com as propriedades do revestimento do metatmaterial. Quando a luz é difusa, uma fina camada de metamaterial ao redor de um objeto pode torná-lo essencialmente invisível sob uma variedade de condições de iluminação.

Tentativas de camuflagem

Capa de plano terrestre de banda larga

Se uma transformação para coordenadas quase ortogonais é aplicada às equações de Maxwell, a fim de ocultar uma perturbação em um plano condutor plano em vez de um ponto singular, como na primeira demonstração de um manto baseado em óptica de transformação, então um objeto pode ser escondido por baixo a perturbação. Isso às vezes é chamado de manto de "carpete".

Conforme observado acima, o manto original demonstrou elementos metamateriais ressonantes utilizados para atender às restrições materiais efetivas. A utilização de uma transformação quase conforme neste caso, em vez da transformação original não conforme, alterou as propriedades do material necessárias. Ao contrário da capa original (expansão singular), a capa "tapete" exigia valores materiais menos extremos. O manto de carpete quase conformado exigia materiais anisotrópicos e não homogêneos que apenas variavam em permissividade . Além disso, a permissividade sempre foi positiva. Isso permitiu o uso de elementos metamateriais não ressonantes para criar o manto, aumentando significativamente a largura de banda.

Um processo automatizado, guiado por um conjunto de algoritmos , foi usado para construir um metamaterial composto por milhares de elementos, cada um com sua geometria . O desenvolvimento do algoritmo permitiu que o processo de fabricação fosse automatizado, o que resultou na fabricação do metamaterial em nove dias. O dispositivo anterior usado em 2006 era rudimentar em comparação, e o processo de fabricação levou quatro meses para criar o dispositivo. Essas diferenças são em grande parte devido às diferentes formas de transformação: a capa original de 2006 transformou um ponto singular, enquanto a versão no plano do solo transforma um plano, e a transformação na capa de tapete foi quase conformada, ao invés de não conformada.

Outras teorias de camuflagem

Outras teorias de camuflagem discutem várias teorias baseadas na ciência e na pesquisa para a produção de um manto eletromagnético de invisibilidade. As teorias apresentadas empregam a ótica de transformação , camuflagem de eventos, cancelamento de espalhamento dipolar, tunelamento de transmitância de luz, sensores e fontes ativas e camuflagem acústica .

Pesquisa institucional

A pesquisa no campo de metamateriais se espalhou pelos departamentos de pesquisa científica do governo americano, incluindo o Comando de Sistemas Aéreos Navais dos EUA , a Força Aérea dos EUA e o Exército dos EUA . Muitas instituições científicas estão envolvidas, incluindo:

O financiamento para a pesquisa desta tecnologia é fornecido pelas seguintes agências americanas :

Através desta pesquisa, percebeu-se que o desenvolvimento de um método para controlar campos eletromagnéticos pode ser aplicado para detecção de escape por sondagem radiada, ou tecnologia de sonar , e para melhorar as comunicações na faixa de microondas ; que este método é relevante para o projeto de superlentes e para a camuflagem de objetos dentro e de campos eletromagnéticos .

Nas noticias

Em 20 de outubro de 2006, um dia após a Duke University conseguir envolver e "desaparecer" um objeto na faixa de microondas, a história foi relatada pela Associated Press . Os meios de comunicação que cobriram a história incluíram USA Today, MSNBC's Countdown With Keith Olbermann: Sight Unseen , The New York Times com Cloaking Copper, Cientistas dão um passo em direção à invisibilidade , (Londres) The Times com Don't Look Now - ganhos visíveis na busca por Invisibilidade , Christian Science Monitor com Disappear Into Thin Air? Cientistas dão um passo em direção à invisibilidade , Australian Broadcasting, Reuters com Invisibility Cloak a Step Closer , e o (Raleigh) News & Observer com ' Invisibility Cloak a Step Closer .

Em 6 de novembro de 2006, a equipe de pesquisa e desenvolvimento da Duke University foi selecionada como parte dos 50 melhores artigos da Scientific American de 2006.

No mês de novembro de 2009, "a pesquisa para projetar e construir 'metamateriais' exclusivos recebeu um aumento de financiamento de £ 4,9 milhões. Metamateriais podem ser usados para dispositivos de 'camuflagem' de invisibilidade, sensores de segurança sensíveis que podem detectar pequenas quantidades de substâncias perigosas e lentes planas que podem ser usadas para criar imagens de objetos minúsculos muito menores do que o comprimento de onda da luz. "

Em novembro de 2010, cientistas da Universidade de St Andrews, na Escócia, relataram a criação de um material de camuflagem flexível que eles chamam de "Metaflex", que pode aproximar significativamente as aplicações industriais.

Em 2014, o primeiro dispositivo acústico 3D do mundo foi construído pelos engenheiros da Duke.

Veja também

Referências

Leitura adicional

Kundtz, Nathan; David R. Smith (conselheiro) (18 de dezembro de 2009). "Avanços em meios eletromagnéticos complexos" . Duke Dissertations : 185. Bibcode : 2009PhDT ....... 185K . Página visitada em 2011-02-23 .148 páginas. " Dissertação apresentada em cumprimento parcial dos requisitos para o grau de Doutor em Filosofia do Departamento de Física da Escola de Pós-Graduação da Duke University 2009 "

links externos

Definindo metamateriais
Manipulando o Near Field com Metamateriais Slide show, com áudio disponível, pelo Dr. John Pendry, Imperial College, Londres
Os pesquisadores propõem imitar o cosmos com metamateriais

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