Teorier om tilsløring - Theories of cloaking
| Artikler om |
| Elektromagnetisme |
|---|
 |
Teorier om tilsløring diskuterer forskjellige teorier basert på vitenskap og forskning for å produsere en elektromagnetisk tilsløring . Teorier som presenteres benytter transformasjonsoptikk , hendelseskobling, kansellering av dipolar spredning, tunneling av lysoverføring, sensorer og aktive kilder og akustisk tilsløring .
En tildekningsenhet er en der formålet med transformasjonen er å skjule noe, slik at et definert romområde usynlig isoleres fra forbipasserende elektromagnetiske felt (se Metamaterial -tilsløring) eller lydbølger. Objekter på det definerte stedet er fremdeles tilstede, men hendelsesbølger blir guidet rundt dem uten å bli påvirket av selve objektet. Sammen med denne grunnleggende " cloaking device " har andre beslektede konsepter blitt foreslått i fagfellevurderte , vitenskapelige artikler , og blir diskutert her. Noen av teoriene som diskuteres her bruker naturligvis også metamaterialer, enten elektromagnetiske eller akustiske , men ofte på en annen måte enn den opprinnelige demonstrasjonen og dens etterfølger, bredbåndskappen .
Den første elektromagnetiske kappen
Den første elektromagnetiske kamuflasjeinnretning ble fremstilt i 2006, ved hjelp av gradient-indeks metamaterials . Dette har ført til det voksende feltet for transformasjonsoptikk (og nå transformasjonsakustikk ), der bølgefortplantningen presist manipuleres ved å kontrollere oppførselen til materialet som lyset (lyden) beveger seg gjennom.
Vanlig romlig tildekking
Bølger og vertsmaterialet der de formerer seg har et symbiotisk forhold: begge virker på hverandre. En enkel romlig kappe er avhengig av finjustering av forplantningsmediets egenskaper for å lede strømmen jevnt rundt et objekt, som vann som strømmer forbi en stein i en bekk, men uten refleksjon eller uten å skape turbulens. En annen analogi er en strøm av biler som passerer en symmetrisk trafikkøy - bilene blir midlertidig avledet, men kan senere samles igjen til en jevn flyt som ikke inneholder informasjon om trafikkøya var liten eller stor, eller om blomster eller en stor annonsering billboard kan ha blitt plantet på den.
Selv om begge analogiene gitt ovenfor har en underforstått retning (vannstrømmen eller veiretningen), er kapper ofte utformet slik at de er isotrope , det vil si at de fungerer like godt for alle retninger. Imidlertid trenger de ikke å være så generelle, og kan bare fungere i to dimensjoner, som i den originale elektromagnetiske demonstrasjonen, eller bare fra den ene siden, som for den såkalte teppekappen .
Romlige kapper har andre egenskaper: alt de inneholder kan (i prinsippet) holdes usynlig for alltid, siden et objekt inne i kappen ganske enkelt kan forbli der. Signaler fra objektene inne i kappen som ikke absorberes, kan på samme måte bli fanget for alltid av den indre strukturen. Hvis en romlig kappe kunne slås av og på igjen etter ønske, ville objektene inni dukke opp og forsvinne tilsvarende.
Rom-tid-tilsløring
Arrangementskappen er et middel for å manipulere elektromagnetisk stråling i rom og tid på en slik måte at en bestemt samling av hendelser eller hendelser blir skjult for fjerne observatører. Konseptuelt kan en safecracker gå inn i en scene, stjele kontanter og gå ut, mens et overvåkningskamera registrerer safe -døren låst og uforstyrret hele tiden. Konseptet bruker vitenskapen om metamaterialer der lys kan fås til å oppføre seg på måter som ikke finnes i naturlig forekommende materialer.
Arrangementskappen fungerer ved å designe et medium der forskjellige deler av lyset som belyser et bestemt område enten kan bremses eller akselereres. En ledende del av lyset akselereres slik at det kommer før hendelsene inntreffer, mens en bakre del bremses og kommer for sent. Etter at de forekommer, reformeres lyset ved å bremse den fremre delen og akselerere den bakre delen. Den fjerne observatøren ser bare en kontinuerlig belysning, mens hendelsene som skjedde i den mørke perioden av kappen opererte forblir uoppdaget. Konseptet kan relateres til trafikk som flyter langs en motorvei: på et visst tidspunkt akselererer noen biler opp, mens de som er bak, bremses. Resultatet er et midlertidig gap i trafikken som gjør at en fotgjenger kan krysse. Etter dette kan prosessen reverseres slik at trafikken fortsetter sin kontinuerlige flyt uten et gap. Når det gjelder bilene som lette partikler (fotoner), mistenkes aldri handling av fotgjengeren som krysser veien, av observatøren nedover motorveien, som ser en uavbrutt og uforstyrret strøm av biler.
For absolutt skjulning må hendelsene være ikke-strålende. Hvis de avgir lys under forekomsten (f.eks. Ved fluorescens), mottas dette lyset av den fjerne observatøren som et enkelt blits.
Applikasjoner av hendelseskappen inkluderer muligheten til å oppnå `` avbryt-uten-avbrudd '' i datakanaler som konvergerer på en node. En primærberegning kan midlertidig suspenderes for å behandle prioritert informasjon fra en annen kanal. Etterpå kan den suspenderte kanalen gjenopptas på en slik måte at den ser ut som om den aldri ble avbrutt.
Ideen om arrangementskappen ble først foreslått av et team av forskere ved Imperial College London (Storbritannia) i 2010, og publisert i Journal of Optics. En eksperimentell demonstrasjon av det grunnleggende konseptet ved bruk av ikke -lineær optisk teknologi har blitt presentert i et fortrykk om Cornell fysikk arXiv . Dette bruker tidslinser for å bremse og øke lyset, og forbedrer derved det opprinnelige forslaget fra McCall et al. som i stedet stolte på den ikke -lineære brytningsindeksen til optiske fibre . Eksperimentet hevder et tildekket tidsintervall på omtrent 10 pikosekunder , men den utvidelsen til nanosekund- og mikrosekundregimene bør være mulig.
En hendelseskobling som krever et enkelt spredt medium (i stedet for to påfølgende medier med motsatt spredning) er også blitt foreslått basert på akselererende bølgepakker. Ideen er basert på å modulere en del av en monokromatisk lysbølge med en diskontinuerlig ikke -lineær frekvenskvitter, slik at to motsatte akselererende kaustikker opprettes i romtiden når de forskjellige frekvenskomponentene forplanter seg ved forskjellige gruppehastigheter i det dispersive mediet. På grunn av strukturen til frekvenskvitteret skjer ekspansjonen og sammentrekningen av tidsgapet kontinuerlig i samme medium og skaper dermed et bikonvekt tidsgap som skjuler de vedlagte hendelsene.
Uvanlig lokalisert resonanskobling
I 2006, samme år som den første metamaterialkappen, ble en annen type kappe foreslått. Denne type av maskering utnytter resonans av lys bølger mens slaget resonans til et annet objekt. Spesielt ser det ut til at en partikkel plassert nær en superlens forsvinner ettersom lyset som omgir partikkelen resonerer som den samme frekvensen som superlensene. Resonansen vil effektivt avbryte lyset som reflekteres fra partikkelen, noe som gjør partikkelen elektromagnetisk usynlig.
Tilsløring av gjenstander på avstand
I 2009 ble en passiv tildekningsenhet designet for å være en 'ekstern usynlighetsanordning' som etterlater det skjulte objektet i det fri slik at det kan 'se' omgivelsene. Dette er basert på forutsetningen om at tilsløring av forskning ikke i tilstrekkelig grad har gitt en løsning på et iboende problem; fordi ingen elektromagnetisk stråling kan komme inn i eller forlate det tildekkede rommet, forlater dette det skjulte objektet til kappen uten evne til å oppdage visuelt eller på annen måte noe utenfor det tildekkede rommet.
En slik tildekkingsanordning er også i stand til å "kappe" bare deler av et objekt, for eksempel å åpne et virtuelt kikkhull på en vegg for å se den andre siden.
Trafikkanalogien som ble brukt ovenfor for den romlige kappen kan tilpasses (om enn ufullstendig) for å beskrive denne prosessen. Tenk deg at en bil har brutt sammen i nærheten av rundkjøringen, og forstyrrer trafikkflyten, forårsaker at biler tar forskjellige ruter eller lager et trafikkork . Denne utvendige kappen tilsvarer en omhyggelig feilformet rundkjøring som klarer å avbryte eller motvirke effekten av den ødelagte bilen - slik at når trafikkstrømmen går ut, er det igjen ingen bevis for den i hverken rundkjøringen eller den ødelagte bilen.
Plasmonisk deksel
Det plasmoniske dekselet , nevnt ved siden av metamaterialdekslene (se plasmoniske metamaterialer ), benytter teoretisk plasmoniske resonanseffekter for å redusere det totale spredningstverrsnittet av sfæriske og sylindriske objekter. Dette er tapsfrie metamaterialdeksler nær plasma -resonansen som muligens kan forårsake et dramatisk fall i spredningstverrsnittet, noe som gjør disse objektene nesten "usynlige" eller "gjennomsiktige" for en ekstern observatør. Lavt tap, selv uten tap, passive deksler kan brukes som ikke krever høy spredning, men er avhengig av en helt annen mekanisme.
Materialer med enten negative eller lave verdi konstituerende parametere er nødvendige for denne effekten. Enkelte metaller i nærheten av plasmafrekvensen eller metamaterialer med negative parametere kan fylle dette behovet. For eksempel oppnår flere edle metaller dette kravet på grunn av deres elektriske permittivitet ved infrarøde eller synlige bølgelengder med relativt lavt tap.
For øyeblikket kan bare mikroskopisk små objekter virke gjennomsiktige.
Disse materialene beskrives videre som et homogent, isotropisk, metamateriale dekker nær plasmafrekvens og reduserer feltene spredt av et gitt objekt dramatisk. Videre krever disse ingen absorberende prosess, anisotropi eller inhomogenitet, og heller ikke avbrytelse av forstyrrelser.
Den "klassiske teorien" om metamateriale dekker arbeider med lys av bare en bestemt frekvens. En ny undersøkelse av Kort-Kamp et al , som vant prisen “School on Nonlinear Optics and Nanophotonics” fra 2013, viser at det er mulig å stille metamaterialet til forskjellige lysfrekvenser.
Tunneling lysoverføring kappe
Som det antydes i nomenklaturen, er dette en type lystransmisjon. Overføring av lys ( EM -stråling ) gjennom et objekt som metallisk film skjer ved hjelp av tunneling mellom resonansinneslutninger. Denne effekten kan opprettes ved for eksempel å bygge inn en periodisk konfigurasjon av dielektrikum i et metall. Ved å opprette og observere overføringstoppene kan interaksjoner mellom dielektrikene og interferenseffekter forårsake blanding og splitting av resonanser. Med en effektiv permittivitet nær enhet kan resultatene brukes til å foreslå en metode for å gjøre de resulterende materialene usynlige.
Mer forskning på cloaking -teknologi
Det er andre forslag til bruk av cloaking -teknologien.
I 2007 blir tilsløring med metamaterialer gjennomgått og mangler presentert. Samtidig presenteres teoretiske løsninger som kan forbedre evnen til å kappe objekter. Senere i 2007 ble en matematisk forbedring av sylindrisk skjerming for å produsere et elektromagnetisk "ormhull" analysert i tre dimensjoner. Elektromagnetiske ormhull, som en optisk enhet (ikke gravitasjonell) er avledet fra tilsløringsteorier, har potensielle bruksområder for å fremme noen nåværende teknologi.
Andre fremskritt kan realiseres med en akustisk superlens . I tillegg har akustiske metamaterialer realisert negativ brytning for lydbølger. Mulige fremskritt kan være forbedrede ultralydsskanninger, skarpere soniske medisinske skanninger, seismiske kart med flere detaljer og bygninger som ikke lenger er utsatt for jordskjelv. Underjordisk bildebehandling kan forbedres med finere detaljer. De akustiske superlensene, den akustiske tilsløret og de akustiske metamaterialene oversettes til nye applikasjoner for fokusering eller styring av soniske bølger.
Akustisk tilsløringsteknologi kan brukes til å stoppe en observatør som bruker ekkolodd fra å oppdage tilstedeværelse av et objekt som normalt ville være detekterbart når det reflekterer eller sprer lydbølger. Ideelt sett vil teknologien omfatte et bredt spekter av vibrasjoner på en rekke skalaer. Rekkevidden kan være fra miniatyrelektroniske eller mekaniske komponenter til store jordskjelv. Selv om det er gjort størst fremgang med matematiske og teoretiske løsninger, har det nylig blitt demonstrert en laboratoriemetamateriell enhet for å unngå sonar. Den kan brukes på lydbølgelengder fra 40 til 80 kHz.
Bølger gjelder også for vannmasser. Det er utviklet en teori for en kappe som kan "skjule", eller beskytte, menneskeskapte plattformer, skip og naturlige kystlinjer mot ødeleggende havbølger, inkludert tsunamier.
Se også
- Bøker