Már három dimenzióban is működik a láthatatlanná tévő anyag

Három dimenzióban, látható fényben működő "varázsköpenyt", a tárgyakat láthatatlanná tevő mesterséges metaanyagot hozott létre Xiang Zhang professzor kutatócsoportja a Kaliforniai Egyetemen. A két legrangosabb tudományos hetilap, a Nature és a Science közli is egy-egy erről szóló tanulmányukat ezen a héten.

Különleges anyagok, negatív törésmutatóval

A fantasztikus eredmény szálai messzire nyúlnak vissza. Negyven éve az orosz Victor Veselago érdekes tényre figyelt fel. Van két olyan, az anyagokra jellemző tulajdonság - az elektromos áteresztőképesség (permittivitás) és a mágneses áteresztőképesség (permeabilitás) -, amely pozitív és negatív értéket egyaránt felvehet, de nincs olyan anyag, amelyben mindkét mennyiség negatív értékű lenne. Veselago azt elemezte, létrehozható-e és milyen tulajdonságokkal rendelkezne egy ilyen, a természetben nem létező matéria. Arra a következtetésre jutott, hogy létre lehetne hozni, de természetesen különleges tulajdonságokkal bírna, és 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 ezért láthatatlanná válna, viszont láthatóvá válnának az általa eltakart, mögötte levő tárgyak.

Metaanyagok

Az 1990-es évek közepén kezdték részletesebben elemezni ezeknek a csak elképzelt különleges anyagoknak a tulajdonságait. Nevet is kaptak, ezek lettek a metaanyagok (angolul metamaterial). Kiderült, hogy 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 más-más frekvenciatartományban jelennek meg. A fizika törvényei ugyanakkor nem zárják ki, nem teszik eleve lehetetlenné, hogy a két paraméter egyszerre vegyen fel negatív értéket.

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.

Két- ás háromdimenziós varázsköpenyek

2006-ban készült el az első metaanyagból álló eszköz, de ez még nem három, hanem csak két dimenzióban működött. Kis méretű volt, körülbelül 10 centiméteres átmérővel. Az építőelemek üvegszálas felületre szerelt rézkarikák és -drótok voltak. A kísérletben egyértelműen megfigyelték, hogy a mikrohullámok tartományába eső elektromágneses hullámok megkerülték a metaanyaggal körbevett objektumot, úgy, ahogy a folyó vize megkerül egy sima felületű sziklát a mederben.

A két dimenzióban, mikrohullámokra érzékeny metaanyag után most elkészült a háromdimenziós, látható fényben működő metaanyag. Két kutatócsoport dolgozott a megoldáson, mindkettőt Xiang Zhang professzor vezette a kaliforniai Berkeley-ben. A kutatásokat amerikai kormánytámogatásból végezték.

Látható fényben hatékony metaanyagot egyébként már korábban is építettek nagyon vékony, lényegében egyetlen atomnyi vastagságú rétegből. Ez csak a megvalósíthatóság igazolására volt jó, semmiféle gyakorlati célra nem lehetett alkalmazni. Hátránya volt az is, hogy túl sokat nyelt el a ráeső fényből.

Az új megoldások egyikében ezüst és más fém dielektromos rétegeket építettek egymásra, majd lyukakat fúrtak ebbe a szendvicsbe. Az anyagot halászhálónak nevezték el a kutatók. Természetesen az egész eszköz a nanoméretek tartományában készült, csak így lehet a látható fényt eltéríteni a metaanyaggal. A másik megoldásnál egy oxid alaplapra porózus alumínium-oxid közegben ezüst nanodrótokat növesztettek egymástól nagyon kis távolságra, a drótok távolsága kisebb volt a látható fény hullámhosszánál.

Természetesen az új megoldásokra is igaz, hogy csak meghatározott, szűk hullámsávra érvényesen valósul meg a negatív törésmutató, tehát továbbra sincs lehetőség arra, hogy bármilyen színes tárgyat, netán egy embert rejtsenek el vele. A minden hullámhosszon hatékony metaanyag létrehozására még elképzelések sincsenek, könnyen lehet, hogy nem is valósítható meg. Egyelőre tehát továbbra is a fantázia világában maradnak a Harry Potter vagy a Star Trek hősei által viselt, láthatatlanná tevő varázsköpenyek.