Nem lesz vak a láthatatlanná tévő varázsköpeny viselője

A láthatatlanná tevő varázsköpeny néhány éve kilépett a fantasztikumok világából: az első sikerek után intenzív kutatások indultak a különleges tulajdonságú metaanyagok létrehozására és tanulmányozására. A közelmúltban érdekes új eredmény született: létrehozták az antiköpenyt, amely lehetővé teszi majd, hogy a varázsköpeny viselője lássa a környezetét.

Láthatatlanná tévő anyagok

Néhány évtizede elméleti lehetőségként merült fel, hogy létre lehet hozni olyan különleges, a természetben nem létező anyagokat, amelyekben az elektromos áteresztőképesség (permittivitás) és a mágneses áteresztőképesség (permeabilitás) is negatív érték. Ez a metaanyagnak nevezett 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 látható lenne az általa eltakart, mögötte levő tárgy.

Az 1990-es évek közepén kezdték részletesen elemezni ezeknek az akkor még csak elképzelt, különleges anyagoknak a tulajdonságait. 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.

Az elméleti kutatómunka során az is kiderült, hogy a metaanyag parányi elemek ismétlődéséből állna. 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 építőelemek parányi hurkok és vezetődarabok, ezeket helyezik el szabályosan ismétlődő rendben. Az egyik összetevő az elektromos, a másik a mágneses tulajdonságért felel.

Két- és háromdimenziós metaanyagok

2006-ban készült el az első metaanyagból álló eszköz. Ez még nem három, hanem csak két dimenzióban működött. Az építőelemek üvegszálas felületre szerelt rézkarikák és rézdrótok voltak (lásd az alábbi képen). 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 kétdimenziós, mikrohullámokra érzékeny metaanyag után 2008-ban elkészült a háromdimenziós, látható fényben működő metaanyag. Két kutatócsoport dolgozott a megoldáson, mindkettőt Xiang Zhang professzor vezette a kaliforniai Berkeley-ben, ahol J. Valentine és munkatársai halászhálóra emlékeztető szerkezettel hoztak létre három dimenzióban működő "varázsköpenyt" (lásd a legfelső képen). A hálóban ezüst- és magnézium-fluorid-rétegek váltakoznak, és ez a metaanyag már viszonylag széles hullámhossztartományban, 1200-1800 nanométer közé eső hullámhosszakon képes a ráeső elektromágneses sugárzás eltérítésére, vagyis a láthatatlanná válásra.

A láthatatlanná tévő köpeny úgynevezett metaanyagból készül. A képen a mikrohullámok számára láthatatlan elrendezés látható. A Duke Egyetemen (Durham, Észak-Karolina) egy 12,7 cm átmérőjű üvegszálas kompozitlapra parányi rézgyűrűket és drótdarabkákat illesztettek szabályos rendben. Ez a metaanyag lehetetlenné teszi, hogy a mikrohullámok ráessenek, majd visszaverődjenek róla. A mikrohullámok úgy ölelik körbe, úgy haladnak el mellette, mint egy patak vize a mederben álló szikla mellett. Bár más hullámhosszú elektromágneses sugárzást nem térít el ez az elrendezés, más elemekkel, más elrendezéssel megoldották már a látható fény eltérítését is

A kutatók előtt álló nagy és nem is biztos, hogy megoldható feladat egy széles hullámhossztartományban metaanyagként viselkedő rendszer kialakítása. Csak ezután lehet majd gondolkodni a varázsköpeny szabásmintáján

Antiköpeny látáshoz

De hogyan fog kilátni viselője a varázsköpenyből, ha az egyszer valóban elkészül? A metaanyagokkal kapcsolatos sikerek kapcsán eddig nem esett szó arról, hogy ha egy ember vagy más élőlény visel majd láthatatlanná tévő köpenyt, akkor nemcsak őt nem látjuk, hanem ő sem fog látni. A láthatatlan ember vak lesz, ugyanis fejét is elfedő köpenye nem engedi szemébe jutni a környezet által visszavert fénysugarakat, márpedig ez a látás alapja. (Természetesen ez a probléma nem merül fel, ha valamilyen tárgyat tesznek láthatatlanná megfelelő metaanyag-bevonattal.)

A kutatási terület egyik legutóbbi eredménye, hogy Kínában, a sanghaji Ting Csiao Egyetemen Csen Huanjang professzor kutatócsoportja megalkotta a "láthatatlanná tévő varázsköpeny" ellenpárját, az antiköpenyt. Az antiköpeny anyagát a láthatatlanná tevő köpeny alatt rejtheti el majd a köpeny viselője, és amikor ki akar nézni, akkor belülről a köpenyanyaghoz szorítja. Az antiköpeny semlegesíti a köpeny hatását, és viselőjük látni fogja környezetét. A siker a kétféle anyag optikai tulajdonságainak nagyon pontos egymáshoz illesztésén múlik.