Metamaterial för att manipulera ljus:a) den naturligt förekommande kamouflage av en bläckfisk som kan ändra hudfärg och struktur som svar på en yttre stimulans och matcha den yttre miljön, b) ett exempel på en tidigare Laplacian metadevice ansluten och styrd av en komplex fältprogrammerbar gate array (FPGA), c) schematisk demonstration av en enklare ljusprogrammerbar illusionmetadevice som föreslås i studien, d) ett schematiskt exempel som visar en illusion skapad genom att manipulera ljusets koordinater. Kreditera: Vetenskapliga rapporter , doi:10.1038/s41598-018-30612-5
För att möjliggöra negativ refraktion och relaterade optiska illusioner, metamaterial är konstgjorda med unika egenskaper som härrör från deras inre fysiska strukturer, snarare än deras kemiska sammansättning. Konceptet krediteras ett experiment som utfördes av den sovjetiska forskaren Victor Veselago 1968 för att visa att negativt brytande material (i motsats till det typiskt observerade positiva brytningsindexet) för att skapa ett negativt index 'superlens' kunde uppnås när både elektrisk permittivitet (ε ) och magnetisk permeabilitet (µ) för ett material var negativ. Trettiotre år efter det konceptuella förslaget, fysikern John Pendrys banbrytande arbete möjliggjorde utveckling av metamaterial som Veselago föreställde sig - ett sammansatt material med negativt brytningsindex som ger kraftigt förbättrad upplösning.
Det nya materialvetenskapliga paradigmet kallades "metamaterial, "från det grekiska ordet metamorfos för att beteckna en förändring av tillstånd. Metamaterialforskare försöker konstruera nya material från konstgjorda föremål med egenskaper utöver det konventionella. Årtionden senare, arbetet fortsätter att locka nytt intresse på grund av framsteg inom metamaterialområdet, som inkluderar metadatorer som är logiska förlängningar av begreppet att utnyttja funktionaliteter som är inneboende i metamaterialramen. Fältet har påfallande framsteg under de senaste åren från transformationsoptik till manipulering av elektromagnetiska egenskaper och framkallande av transparens för att skapa osynlighetskappor, skapade enorm uppmärksamhet, medan du går mot avstämningsbar, omkopplingsbar, olinjära och avkännande funktioner.
I praktiken, de fotoniska enheterna har breda konsekvenser med potential att möta ökande krav på snabbare informationsöverföring genom att ta bort flaskhalsen för fiberbaserade optiska telekommunikationsnät, och till och med möjliggöra militärt kamouflage. Uppgifterna kan utföras med starka, snabba olinjäriteter för att byta ljus med ljus, och förbättrad kontroll av de elektromagnetiska egenskaperna hos metamaterial med yttre stimuli såsom elektriska signaler. Nu skriver jag in Vetenskapliga rapporter , Cheng-Wei Qiu och medarbetare har utvecklat en experimentell metod för att införliva flera funktioner i en passiv Laplacian likströmsmetadeenhet (DC) med hjälp av ljusbelysning utan fysisk kontakt.
För att visa proof of concept, forskarlaget skapade ett nätverk där mätdata stämde mycket bra överens med de teoretiska förutsägelserna och simuleringsresultaten. Experimentet möjliggjordes av en analogi mellan elektriskt ledande material och resistornätverk. Forskarna försökte designa, tillverka och testa en metadevice med hjälp av kretsteorin. Möjligheten att manipulera stabila strömmar genom att kontrollera anisotropa konduktiviteter har många potentiella tillämpningar; fokus i studien var att utforma lätt programmerbar mantel, full illusion och partiell illusion för att möjliggöra kamouflage. Det föreslagna systemet kan öppna nya vägar för kontaktfri multifysisk kontroll av funktioner för alla typer av laplaciska fält, inklusive DC -magnetfält och termiska fält.
Som en enkel demonstration av det föreslagna teoretiska konceptet, forskarna insåg experimentellt en metadrev med hjälp av ett motståndsnätverk bestående av åtta motstånd, justerbar genom ljusbelysning, för fjärrkontroll utan kontakt. Under den experimentella verifieringen Han et al., använt kommersiella metallfilmsmotstånd parallellt med ljusberoende motstånd för att uppnå den optiskt kontrollerade prestandan. Som referens tillverkade de också en DC-mantel, utan inbyggda fotomotstånd. Den experimentella installationen använde en likström med 5 V magnitud som källa och spänningen mättes med en 4,5-siffrig multimeter. När spänningsfördelningen simulerades för referens DC-manteln, de potentiella fördelningarna utanför kappan återställs exakt till dem i det homogena rummet, för att göra enhetens centrala komponent osynlig för utomstående betraktare. Liknande, det uppmätta resultatet för den tillverkade referens DC -kappan visade utmärkt cloaking -prestanda i överensstämmelse med dess simulering.
Proof-of-concept:a) ett fotografi av den tillverkade ljusprogrammerbara metadelen som kombinerar elektriskt ledande material med ett motståndsnätverk (ljuskänsliga motstånd ses infällda), en referens DC -kappa ses nedan - tillverkad utan fotoresistorer b) schematisk illustration av experimentuppsättningen, gröna linjer indikerar ljusberoende motstånd (RL) parallellt med de kommersiella motstånden (R) i den ljusprogrammerbara metadelen, c) den simulerade spänningsfördelningen för referens DC -kappan, d) den uppmätta spänningen motsvarande (c). Potentialutjämningslinjer är representerade med vit färg i panelen. Kreditera: Vetenskapliga rapporter , doi:10.1038/s41598-018-30612-5
Liknande resultat observerades för utförandet av den föreslagna ljusstyrda metadelen, visar utmärkt överensstämmelse mellan experimentet och simuleringen. Genom design, metadelen förväntades fungera som en illusionsanordning i starkt fältljus (omvandla en verklig uppfattning till en godtyckligt förstyrd uppfattning) och bli osynlig i mörkt fält (experimentellt uppnådd med hjälp av ett ogenomskinligt material för att täcka enheten). Metadelen kunde växla mellan cloaking och illusion, inom en responstid på 0,2 sekunder, baserat på ljusbelysning.
Dessutom, författarna kunde visa delvis illusion när en del av metadelen utsattes för ljusa fält, där de numeriska simuleringarna och mätdata återigen överensstämde utmärkt, för att visa den kontrollerbara och flexibla egenskapen hos det föreslagna systemet. I studien, simuleringarna baserades på finite element -metoden (FEM). Alla motstånd var kommersiella metallfilmresistorer med en noggrannhet på 1 procent med ljuskänsliga motstånd parallellt för att realisera den föreslagna ljusstyrda metadelenheten genom kretsteorin. Idén kan utvidgas till andra fält som styrs av Laplaces ekvation inklusive magnetiska och termiska fält.
© 2018 Phys.org
