Определены фундаментальные пределы невидимости

Исследователям в Cockrell School of Engineering в Университете штата Техас в Остине удалось количественно оценить фундаментальные физические ограничения на производительность маскирующих устройств, технологии, которая позволяет объектам стать невидимыми или неопределяемыми для электромагнитных волн, в том числе радиоволн, микроволн, инфракрасного и видимого света.

Теория исследователей подтверждает, что можно использовать накидки, чтобы полностью скрыть объект для определенной длины волны, но скрывать объект от освещенности, содержащей различные длины волн, становится более сложным по мере того как размер объекта увеличивается.

Андреа Алю (Andrea Alu), профессор электротехники и вычислительной техники и ведущий научный сотрудник в области технологии невидимости, вместе с аспирантом Франческо Монтиконе (Francesco Monticone), создал количественную основу, которая в настоящее время устанавливает границы на возможности полосы частот электромагнитных плащей для объектов различных размеров и состава. В результате исследователи могут вычислить ожидаемую оптимальную производительность плащей-невидимок, прежде чем проектировать и разрабатывать конкретный плащ для интересующего объекта. Алю и Монтиконе описали свою работу в журнале Optica.

Плащи изготавливаются из искусственных материалов, называемых метаматериалами, которые обладают специальными свойствами, позволяющими лучше контролировать падающую волну, и могут сделать объект невидимым или прозрачным. Вновь установленные границы распространяются на плащи из пассивных метаматериалов - тех, которые не черпают энергию от внешнего источника питания.

Понимание ограничения полосы частот и размеров при маскировке важно для оценки потенциала маскирующего устройств для реальных приложений, таких как антенны связи, биомедицинских устройства и военные радары, сказал проф. Алю. Работа исследователей показывает, что производительность пассивного плаща во многом определяется соотношением размера объекта, подлежащего маскировке, и длины падающей волны – для более коротких длин волн, маскировка становится значительно сложнее.

Например, можно замаскировать среднего размера антенну от радиоволн на относительно широкой полосе частот для более незашумленной связи, но практически невозможно скрыть крупные объекты, такие как человеческое тело или военный танк, от видимых световых волн, которые намного короче, чем радиоволны.

«Мы показали, что невозможно резко подавлять рассеяние света от танка или самолета для видимых частот имеющимися в настоящее время методами, основанными на пассивных материалах, - сказал Монтиконе. - Но для объектов, сопоставимых по размеру с длиной волны, которая возбуждает их (типичная радиоволновые антенны, например, или зонды некоторых оптических инструментов микроскопии), выведенные оценки показывают, что вы можете сделать что-то полезное, ограничения становятся свободнее, и мы можем количественно оценить их».

В дополнение к предоставлению практического руководства для исследования маскирующих устройств, ученые считают, что предлагаемая система может помочь рассеять некоторые из мифов, которые возникли вокруг маскировки и ее потенциале сделать большие объекты невидимыми.

«Вопрос в том, можем ли мы сконструировать пассивный плащ, который делает объекты масштаба человека невидимыми, – говорит Алю. - Оказывается, что существуют жесткие ограничения для маскировки объекта пассивным материалом для произвольной падающей волны и точки наблюдения».

Теперь, когда пределы полосы частот для маскировки доступны, исследователи могут сосредоточиться на разработке практических приложений с помощью этой технологии, чтобы приблизиться к этим пределам.

«Если мы хотим выйти за рамки возможностей пассивных плащей, то есть и другие варианты, - сказал Монтиконе. - Наша группа и другие используют активные и нелинейные методы техники маскировки, для которых эти ограничения не применяются. В качестве альтернативы мы можем стремиться к менее требовательным формам невидимости, как в маскирующих устройствах, которые вводят фазовые задержки по мере того как свет проходит через них, камуфляжные техники или другие оптические приемы, которые дают впечатление прозрачности без фактического снижения общего рассеяния света».

Лаборатория Алю работает над дизайном активных плащей, которые используют метаматериалы, подключаемые к внешнему источнику энергии для достижения более широких полос пропускания прозрачности.

«Даже с активными плащами теория относительности Эйнштейна принципиально ограничивает максимальную производительность для невидимости, - сказал Алю. - Тем не менее, с новыми концепциями и конструкциями, такими как активные и нелинейные метаматериалы, можно двигаться вперед в стремлении к прозрачности и невидимости».

График показывает компромисс между тем, насколько объект можно сделать прозрачным (уменьшение рассеяния; вертикальная ось) и цветовым диапазоном (ширина полосы частот; горизонтальная ось), при котором это явление может быть достигнуто. Красная линия представляет собой оптимальную производительность, достижимую пассивными плащами, разделив график в реализуемых и запрещенных областях. Ни одно пассивное устройство невидимости не может достигать значений производительности, лежащих в запрещенной области. Достижение невидимости становится все более и более сложной задачей для больших объектов (красная линия, представляющая границу, идет вверх и влево, как показано стрелкой)

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365