Osynlighetskappan - fungerar den?

Den senaste tiden har en rad nya artiklar publicerats om ”osynlighetskappor”, eller så kallade ”cloaking devices”. I media har man talat om Harry Potter-kappa och folk på nätet har i forum oroat sig över att pedofiler (samhällets fobi nummer ett två, efter terrorister) skall kunna smyga sig in på lekplatser och kidnappa barn. Så, vad handlar det om?

Osynlighetskappor springer ur arbetet med s.k. vänsterhänta material, sådana som har negativt brytningsindex. Forskning har pågått om dessa sedan nanoteknologins intåg gjorde det möjligt att arbeta med strukturer så små som krävs. Vänsterhänta material är en form av metamaterial som består av mycket specifikt designade strukturer av flera olika material. Forskningen om dessa har mest varit inriktat på drömmen om perfekta linser. Men i två artiklar i samma nummer av Science år 2006 presenterade Leonhardt ¹ och Pendry och medarbetare ² beräkningar som visade att man med hjälp av ett skal av metamaterial kan få ljus att böja sig runt ett objekt och fortsätta precis i samma riktning som det kom. Objektet blir helt osynligt.

Redan samma år lyckades gruppen bakom den andra artikeln att påvisa en fungerande osynlighetskappa ³. Den fungerar visserligen bara i två dimensioner (dvs i ett bestämt plan), och i mikrovågsområdet istället för i synligt ljus. Men likväl var det ett genombrott. Objektet, en kopparcylinder med 25 mm radie, blev, när den fick ett skal av metamaterial tillverkat av kopparresonatorer i en epoxyram, nästan helt osynligt för mikrovågor inom ett smalt frekvensområde. Som syns från bilden nedan, där mikrovågor kommer in från vänster, är osynlighetskappan inte perfekt, utan lämnar en skugga.Teorin för osynlighetskappor gäller inte bara ljus, utan även andra former av vågor, och i höstas visade en grupp forskare att man kan bygga en fungerande kappa för vågor på en vätskeyta inom ett stort frekvensområde ⁴. Nästan samtidigt kom rapporter i Science ⁵ och Nature ⁶ om de första fungerande metamaterialen i optiska våglängder för ljus. Den optiska osynlighetskappan är bara ett steg bort.

Men kommer en osynlighetskappa att fungera? Än så länge är begränsningarna ganska betydande: de fungerar bara för vissa speciella våglängdsområden, materialen är svåra att framställa i mer än mikroskopiska mängder m.m.. Men trots detta så kommer de med säkerhet att utvecklas till mer eller mindre fungerande osynlighetssköldar. (Jag använder ordet sköld, för det är rigida material det handlar om, inte textiler.) Sannolikt kommer de inte att ge total osynlighet (något som forskare vid KTH visat är väldigt svårt då det kräver ideala material helt utan defekter ^{7, 8}), men liksom dagens stealth-material, som ger en betydligt mindre radarprofil än vanliga flygplan, så kommer de nog att komma till användning som avancerade kamouflage. Det blir väl säkerligen så att det är inom militärindustrin de först kommer till användning. Däremot ligger personliga osynlighetssköldar à la Rovdjuret (snarare än Harry Potter) ännu långt in i framtiden. En sak att fundera på är hur de som befinner sig innanför en osynlighetssköld skall se vad som händer utanför…

Referenser
¹ U. Leonhardt, Optical Conformal Mapping. Science 312, 1777-80 (2006).
² J.B. Pendry, D. Schurig, och D.R. Smith, Controlling Electromagnetic Fields. Science 312, 1780-2 (2006).
³ D. Schurig, J.J. Mock, B.J. Justice, et al., Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies. Science 314, 977-80 (2006).
⁴ M. Farhat, S. Enoch, S. Guenneau, et al., Broadband Cylindrical Acoustic Cloak for Linear Surface Waves in a Fluid. Phys. Rev. Lett. 101, 134501 (2008).
⁵ J. Yao, Z. Liu, Y. Liu, et al., Optical Negative Refraction in Bulk Metamaterials of Nanowires. Science 321, 930 (2008).
⁶ J. Valentine, S. Zhang, T. Zentgraf, et al., Three-dimensional optical metamaterial with a negative refractive index. Nature 455, 376-80 (2008).
⁷ M. Yan, Z. Ruan, och M. Qiu, Cylindrical Invisibility Cloak with Simplified Material Parameters is Inherently Visible. Phys. Rev. Lett. 99, 233901 (2007).
⁸ Z. Ruan, M. Yan, C.W. Neff, et al., Ideal Cylindrical Cloak: Perfect but Sensitive to Tiny Perturbations. Phys. Rev. Lett. 99, 113903 (2007).

Andra bloggar om: fysik, vetenskap, optik, vänsterhänta material, osynlighet. Intressant?