Láthatatlanná tettek egy tárgyat

Ki ne szeretne időnként láthatatlanná válni? Titkokat kilesni vagy szégyenében elbújni. A mesék hősei ilyenkor magukra terítenek egy varázsköpenyt vagy a fejükbe nyomnak egy varázssüveget, és máris láthatatlanná válnak. A modern fizika legújabb eredményei is ilyen láthatatlanná tevő varázsköpenyt ígérnek.

Még nincs kész a láthatatlanná tevő köpeny, de az első eredmények is fantasztikusak. Először a Science on-line kiadásában tették közzé a napokban az amerikai Duke Egyetem munkatársai az egyelőre csak a mikrohullámú tartományban működő, valódi "varázsköpeny" leírását.

A "varázsköpeny" tulajdonságai

A kutatók eredetileg természetesen nem egy láthatatlanná tevő csodaeszköz megalkotására törekedtek. Az események a tudomány belső logikáját követték. Már csaknem negyven éve annak, hogy Victor Veselago érdekes tényre figyelt fel. Van két olyan, az anyagokra jellemző tulajdonság - az elektromos áteresztőképesség (permittivitás) és mágneses áteresztőképesség (permeabilitás) -, amely pozitív és negatív értéket egyaránt felvehet, de nincs olyan anyag, amelyben mindkét mennyiség negatív értékű lenne. Vannak negatív elektromos permittivitású anyagok, például egyes fémek (ezüst, arany, alumínium) az optikai frekvenciák tartományában. Vannak negatív mágneses permeábilitású anyagok, pl. rezonáló ferromágneses vagy antiferromágneses rendszerek, de a két negatív érték együtt sohasem valósul meg. Veselago azt elemezte, létrehozható-e, és milyen tulajdonságokkal rendelkezne egy ilyen, a természetben nem létező anyag.

Arra a következtetésre jutott, hogy létre lehet hozni ilyen anyagot. A különleges anyag természetesen különleges tulajdonságokkal bírna, szinte minden elektromágneses jelenség másképp zajlana benne. Az egyik legfurcsább következmény a negatív törésmutató fellépése lenne. A fény egy ilyen közeg határához érve nem hatolna be a negatív törésmutatójú anyagba, hanem azt megkerülve haladna tovább. Az ilyen anyagból készült tárgy láthatatlanná válna, viszont láthatóvá válna az általa eltakart, mögötte levő tárgy.

A "varázsköpeny" receptje

Az 1990-es évek közepén elkezdték részletesen elemezni ezeknek a csak elképzelt különleges anyagoknak a tulajdonságait. Nevet is kaptak, ezek lettek a metaanyagok (angolul metamaterial). A negatív anyagi jellemzőkkel bíró metaanyagok paraméterei függenek az elektromágneses hullámok frekvenciájától, tehát a paraméterek értéke a frekvenciával együtt változik. Ugyanakkor a negatív paraméterű anyagok a pozitívokkal szemben csak viszonylag keskeny frekvenciatartományban használhatók. Ezzel magyarázható a metaanyagok hiánya a természetben, a negatív elektromos, illetve mágneses jellemzők ugyanis teljesen más frekvenciatartományban jelennek meg. A fizika törvényei ugyanakkor nem zárják ki, nem teszik eleve lehetetlenné, hogy a két paraméter egyszerre vegyen fel negatív értéket.

John Pendry (Imperial College, London) és tőle függetlenül Ulf Leonhardt (St. Andrews Egyetem, Edinburgh) megadta a metaanyagok elkészítésének receptjét. A metaanyag parányi elemek ismétlődéséből áll. Az elemek méretét és egymástól való távolságát úgy kell megválasztani, hogy az jóval kisebb legyen a felhasználandó elektromos sugárzás hullámhosszánál. Ebben az esetben a beeső elektromágneses hullám nem tudja megkülönböztetni az egyes elemeket, homogénnek látja a metaanyagot. Az egyik összetevő az elektromos, a másik a mágneses tulajdonságért felel. Az építőelemek parányi hurkok, vezetődarabok, ezeket helyezik el szabályosan ismétlődő rendben. Idén márciusban a metaanyag-receptek közzététele kapcsán a Pennsylvania Egyetem egyik munkatársa azt nyilatkozta a Science-nek, hogy öt éven belül megjelenhet a rádióhullámok tartományában működő metaanyag, illetve az ebből készült eszközök.

Az első "varázsköpeny"

Nem kellett öt évig várni. Október közepén megjelent az első működő eszköz leírása. A receptet kidolgozó J. Pendry is részt vett a Duke Egyetemen David R. Smith vezetésével dolgozó kutatócsoport munkájában. Az eszköz egyelőre nem három, hanem csak két dimenzióban működik. Kis méretű, átmérője kb. 10 cm. A korábbi elképzelésektől eltérően ez a metaanyag nem köbös, rácsos felépítésű, hanem koncentrikus körökből áll. Az építőelemek üvegszálas felületre szerelt rézkarikák és -drótok.

A kísérletben egyértelműen megfigyelték, hogy az elektromágneses hullámok megkerülték a metaanyaggal körbevett objektumot, úgy, ahogy a folyó vize megkerül egy sima felületű sziklát a mederben. Az eleve kiválasztott mikrohullámú sávban tehát egyértelműen sikerült a kísérlet, a metaanyaggal láthatatlanná tették a rejteni kívánt objektumot.

A várható folytatás

A folytatás többirányú lesz. Mindenekelőtt megépítenek egy háromdimenziós modellt, és tovább tanulmányozzák a metaanyagok viselkedését. A vizsgálatokat el fogják végezni más hullámhossz-tartományokban is. A feladat egyre nehezebbé válik, ahogy a rövidebb hullámhosszak felé közelednek, hiszen a metaanyag építőelemeinek lényegesen kisebbnek kell lennie a ráeső sugárzás hullámhosszánál. A látható fény tartománya már a nanoméretek világában való építkezést kíván meg. A kutatásokkal párhuzamosan elindulhat a laboratóriumban bevált megoldások gyakorlati alkalmazásainak megvalósítása. Mikrohullámokat használnak például a drótnélküli távközlésben és radar-alkalmazásokban...

A tervezett eszközök mindegyike egy-egy kiválasztott, viszonylag szűk hullámhossz-tartományban képes a varázsköpeny szerepét betölteni. Pillanatnyilag még ötlet sincs arra, hogyan lehetne egy széles hullámhossztartományban, pl. a látható fény teljes tartományában hatékony metaanyagot elkészíteni. Egyelőre (?) továbbra is a fantázia világában maradnak a Harry Potter vagy a Star Trek hősei által viselt, láthatatlanná tevő varázsköpenyek.

Jéki László