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Un nuovo processo può rendere i materiali artificiali del tutto invisibili

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Gli scienziati dell’Università di Rostock, in stretta collaborazione con i partner dell’Università di tecnologia di Vienna, hanno sviluppato un nuovo processo in grado di rendere i materiali artificiali trasparenti o addirittura del tutto invisibili, su richiesta. La loro scoperta è stata recentemente pubblicata sulla rinomata rivista Science Advances.

Trasformare qualcosa di invisibile è un tropo comune nella fantascienza, come il Mantello dell’Invisibilità in Harry Potter. Certo, suona bene, ma il motivo per cui è così comune nelle storie è che sarebbe una tecnologia incredibilmente utile. Gli usi per lo spionaggio e le forze armate sono ovvi, ma ci sono molte più applicazioni.

Data l’immensa utilità, potrebbe non sorprendere che questo sia qualcosa su cui scienziati e ingegneri hanno lavorato attivamente. Hanno anche fatto un bel po’ di progressi, usando triossido di molibdeno, metamateriali, metaschermi e materiali dielettrici per modellare i mantelli dell’invisibilità. Tutto si riduce a manipolare la luce nel modo corretto, e ciò che è particolarmente interessante è che l’innovazione in quest’area può anche migliorare significativamente i sensori, le telecomunicazioni, la crittografia e molte altre tecnologie.

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Spazio, l’ultima frontiera… l’astronave Enterprise persegue la sua missione di esplorare la galassia, quando tutti i canali di comunicazione vengono improvvisamente bloccati da una nebulosa impenetrabile. In molti episodi dell’iconica serie TV Star Trek, il valoroso equipaggio deve ricavare “tecnologia della tecnologia” e “scienza della scienza” entro i 45 minuti della puntata per permettere la loro fuga da questa o da una situazione simile prima che i titoli di coda scorrano.
Nonostante abbia trascorso un tempo significativamente più lungo nei laboratori, un team di scienziati dell’Università di Rostock è riuscito a sviluppare un approccio completamente nuovo per la progettazione di materiali artificiali in grado di trasmettere segnali luminosi senza distorsioni per mezzo di flussi di energia sintonizzati con precisione.

Quando la luce si diffonde in un mezzo disomogeneo, subisce dispersione. Questo effetto trasforma rapidamente un raggio compatto e diretto in un bagliore diffuso ed è familiare a tutti noi dalle nuvole estive e dalla nebbia autunnale allo stesso modo“. Così, il professor Alexander Szameit dell’Istituto di fisica dell’Università di Rostock descrive il punto di partenza del suo team. In particolare, è la distribuzione della densità microscopica di un materiale che determina le specifiche dello scattering. Szameit continua: “L’idea fondamentale della trasparenza indotta è sfruttare una proprietà ottica molto meno nota per liberare un percorso per il raggio di luce, per così dire“.

Questa seconda proprietà, nota nel campo della fotonica con l’arcano titolo di non hermiticità, descrive il flusso di energia, o, più precisamente, l’amplificazione e l’attenuazione della luce. Intuitivamente, gli effetti associati possono sembrare indesiderabili: in particolare lo sbiadimento di un raggio di luce dovuto all’assorbimento sembrerebbe altamente controproducente per il compito di migliorare la trasmissione del segnale. Tuttavia, gli effetti non hermitiani sono diventati un aspetto chiave dell’ottica moderna e un intero campo di ricerca si sforza di sfruttare la sofisticata interazione di perdite e amplificazione per funzionalità avanzate.

Questo approccio apre possibilità completamente nuove“, riferisce il dottorando Andrea Steinfurth, primo autore dell’articolo. Per quanto riguarda un raggio di luce, diventa possibile amplificare o smorzare selettivamente parti specifiche di un raggio a livello microscopico per contrastare qualsiasi inizio di degrado. Per rimanere all’idea della nebulosa, le sue proprietà di diffusione della luce potrebbero essere completamente soppresse. “Stiamo attivamente modificando un materiale per adattarlo alla migliore trasmissione possibile di un segnale luminoso specifico“, spiega Steinfurth. “A tal fine, il flusso di energia deve essere controllato con precisione, in modo che possa integrarsi con il materiale e il segnale come pezzi di un puzzle“.

In stretta collaborazione con i partner della Vienna University of Technology, i ricercatori di Rostock hanno affrontato con successo questa sfida. Nei loro esperimenti, sono stati in grado di ricreare e osservare le interazioni microscopiche dei segnali luminosi con i loro materiali attivi di nuova concezione in reti di fibre ottiche lunghe un chilometro.

In effetti, la trasparenza indotta è solo una delle affascinanti possibilità che emergono da questi risultati. Se un oggetto deve davvero essere fatto svanire, la prevenzione della dispersione non è sufficiente. Invece, le onde luminose devono emergere dietro di esso completamente indisturbate. Eppure, anche nel vuoto dello spazio, la sola diffrazione garantisce che qualsiasi segnale cambierà inevitabilmente la sua forma.

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La nostra ricerca fornisce la ricetta per strutturare un materiale in modo tale che i fasci di luce passino come se non esistessero né il materiale, né la stessa regione di spazio che occupa. Nemmeno i fittizi dispositivi di occultamento dei Romulani possono farlo“, afferma il coautore Dr. Matthias Heinrich, tornando alla similitudine con l’ultima frontiera di Star Trek.

I risultati presentati in questo lavoro rappresentano una svolta nella ricerca fondamentale sulla fotonica non hermitiana e forniscono nuovi approcci per la messa a punto attiva di sistemi ottici sensibili, ad esempio sensori per uso medico. Altre potenziali applicazioni includono la crittografia ottica e la trasmissione sicura dei dati, nonché la sintesi di materiali artificiali versatili con proprietà personalizzate.

Riferimento: “Observation of photonic constant-intensity waves and induced transparency in tailored non-Hermitian lattices” di Andrea Steinfurth, Ivor Krešic, Sebastian Weidemann, Mark Kremer, Konstantinos G. Makris, Matthias Heinrich, Stefan Rotter e Alexander Szameit, 25 maggio 2022 , Scienza .
DOI: 10.1126/sciadv.abl7412

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