Nuovi metamateriali: la luce sotto controllo
Molti resoconti sui "metamateriali" (tra virgolette, perché la definizione comincia a sfumare) ci fanno pensare ad essi quasi come una panacea per tutti i problemi, i dolori ei limiti che il mondo moderno della tecnologia deve affrontare. I concetti più interessanti ultimamente riguardano i computer ottici e la realtà virtuale.
per quanto riguarda ipotetici computer del futuroad esempio, si può citare la ricerca di specialisti dell'Università israeliana TAU di Tel Aviv. Stanno progettando nanomateriali multistrato che dovrebbero essere usati per creare computer ottici. A loro volta, i ricercatori dell'Istituto svizzero Paul Scherrer hanno costruito una sostanza trifase da un miliardo di magneti in miniatura capaci di farlo simulare tre stati aggregati, per analogia con l'acqua.
Per cosa può essere utilizzato? Gli israeliani vogliono costruire. Gli svizzeri parlano di trasmissione e registrazione dei dati, oltre che di spintronica in generale.
Un metamateriale trifase fatto di minimagneti che imita i tre stati dell'acqua.
Fotoni su richiesta
La ricerca degli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory presso il Dipartimento dell'Energia potrebbe portare allo sviluppo di computer ottici basati su metamateriali. Propongono di creare una sorta di struttura laser in grado di catturare determinati pacchetti di atomi in un determinato luogo, creando un ambiente rigorosamente progettato e controllato struttura a base di luce. Assomiglia ai cristalli naturali. Con una differenza: è quasi perfetto, non si osservano difetti nei materiali naturali.
Gli scienziati ritengono che non solo saranno in grado di controllare strettamente la posizione di gruppi di atomi nel loro "cristallo di luce", ma anche influenzare attivamente il comportamento dei singoli atomi usando un altro laser (vicino all'infrarosso). Faranno loro, ad esempio, su richiesta, emettere una certa energia - anche un singolo fotone, che, una volta rimosso da un punto del cristallo, può agire su un atomo intrappolato in un altro. Sarà una specie di semplice scambio di informazioni.
La capacità di rilasciare rapidamente un fotone in modo controllato e di trasferirlo con poche perdite da un atomo all'altro è un importante passaggio di elaborazione delle informazioni per il calcolo quantistico. Si può immaginare di utilizzare interi array di fotoni controllati per eseguire calcoli molto complessi, molto più velocemente rispetto all'utilizzo dei computer moderni. Gli atomi incorporati in un cristallo artificiale potrebbero anche saltare da un luogo all'altro. In questo caso, loro stessi diventerebbero portatori di informazioni in un computer quantistico o potrebbero creare un sensore quantistico.
Gli scienziati hanno scoperto che gli atomi di rubidio sono ideali per i loro scopi. Tuttavia, gli atomi di bario, calcio o cesio possono anche essere catturati da un cristallo laser artificiale perché hanno livelli di energia simili. Per realizzare il metamateriale proposto in un vero esperimento, il team di ricerca dovrebbe catturare alcuni atomi in un reticolo cristallino artificiale e mantenerli lì anche quando eccitati a stati energetici più elevati.
Realtà virtuale senza difetti ottici
I metamateriali potrebbero trovare applicazioni utili in un'altra area in via di sviluppo della tecnologia -. La realtà virtuale ha molti limiti diversi. Le imperfezioni dell'ottica a noi note giocano un ruolo significativo. È praticamente impossibile costruire un sistema ottico perfetto, perché ci sono sempre le cosiddette aberrazioni, ad es. distorsione dell'onda causata da vari fattori. Siamo a conoscenza di aberrazioni sferiche e cromatiche, astigmatismo, coma e molti, molti altri effetti negativi dell'ottica. Chiunque abbia utilizzato set di realtà virtuale deve aver affrontato questi fenomeni. È impossibile progettare ottiche VR leggere, produrre immagini di alta qualità, non avere arcobaleno visibile (aberrazioni cromatiche), offrire un ampio campo visivo ed essere economiche. Questo è semplicemente irreale.
Ecco perché i produttori di apparecchiature VR Oculus e HTC utilizzano quelle che vengono chiamate lenti di Fresnel. Ciò consente di ottenere un peso notevolmente inferiore, eliminare le aberrazioni cromatiche e ottenere un prezzo relativamente basso (il materiale per la produzione di tali obiettivi è economico). Sfortunatamente, gli anelli di rifrazione causano w Lenti di Fresnel un calo significativo del contrasto e la creazione di un bagliore centrifugo, particolarmente evidente dove la scena ha un contrasto elevato (sfondo nero).
Tuttavia, recentemente gli scienziati dell'Università di Harvard, guidati da Federico Capasso, sono riusciti a svilupparsi lente sottile e piatta utilizzando metamateriali. Lo strato di nanostruttura sul vetro è più sottile di un capello umano (0,002 mm). Non solo non presenta i tipici inconvenienti, ma fornisce anche una qualità dell'immagine molto migliore rispetto ai costosi sistemi ottici.
La lente Capasso, a differenza delle tipiche lenti convesse che piegano e diffondono la luce, modifica le proprietà dell'onda luminosa a causa di strutture microscopiche che sporgono dalla superficie, depositate sul vetro di quarzo. Ciascuna di queste sporgenze rifrange la luce in modo diverso, cambiando la sua direzione. Pertanto, è importante distribuire correttamente tale nanostruttura (modello) progettata e prodotta al computer utilizzando metodi simili ai processori dei computer. Ciò significa che questo tipo di lenti può essere prodotto negli stessi stabilimenti di prima, utilizzando processi di produzione noti. Il biossido di titanio viene utilizzato per lo sputtering.
Vale la pena citare un'altra soluzione innovativa di "meta-ottica". iperlenti metamaterialipreso all'Università americana di Buffalo. Le prime versioni di hyperlenti erano fatte di argento e di un materiale dielettrico, ma funzionavano solo in una gamma molto ristretta di lunghezze d'onda. Gli scienziati di Buffalo hanno utilizzato una disposizione concentrica di bacchette d'oro in una custodia termoplastica. Funziona nella gamma di lunghezze d'onda della luce visibile. I ricercatori illustrano l'aumento della risoluzione risultante dalla nuova soluzione utilizzando come esempio un endoscopio medico. Di solito riconosce oggetti fino a 10 nanometri e, dopo l'installazione di hyperlenses, "scende" fino a 250 nanometri. Il progetto supera il problema della diffrazione, un fenomeno che riduce notevolmente la risoluzione dei sistemi ottici: invece della distorsione delle onde, vengono convertiti in onde che possono essere registrate in dispositivi ottici successivi.
Secondo una pubblicazione su Nature Communications, questo metodo può essere utilizzato in molte aree, dalla medicina alle osservazioni di singole molecole. È opportuno attendere dispositivi concreti basati su metamateriali. Forse permetteranno alla realtà virtuale di raggiungere finalmente il vero successo. Quanto ai "computer ottici", si tratta ancora di prospettive piuttosto lontane e vaghe. Tuttavia, nulla può essere escluso...
