Теории маскировки
| Статьи о |
| Электромагнетизм |
|---|
 |
Теории маскировки обсуждают различные теории, основанные на науке и исследованиях , по созданию электромагнитного маскировочного устройства . Представленные теории используют трансформационную оптику , маскировку событий, подавление диполярного рассеяния, туннельное пропускание света, датчики и активные источники, а также акустическую маскировку .
Маскирующее устройство — это устройство, цель преобразования которого состоит в том, чтобы что-то скрыть, чтобы определенная область пространства была невидимо изолирована от проходящих электромагнитных полей (см. Маскировка метаматериала). [ 1 ] [ 2 ] ) или звуковые волны. Объекты в определенном месте все еще присутствуют, но падающие волны направляются вокруг них, не затрагиваясь самим объектом. Наряду с этим основным « маскирующим устройством предложены и другие связанные концепции » в рецензируемых были научных статьях , которые обсуждаются здесь. Естественно, некоторые из обсуждаемых здесь теорий также используют метаматериалы, как электромагнитные , так и акустические , хотя часто иным способом, чем первоначальная демонстрация и ее преемник, широкополосный плащ .
Первый электромагнитный плащ
[ редактировать ]Первое устройство электромагнитной маскировки было произведено в 2006 году с использованием метаматериалов с градиентным индексом . Это привело к растущей области трансформационной оптики (а теперь и трансформационной акустики ), где распространением волн точно управляют, контролируя поведение материала, через который распространяется свет (звук).
Обычная пространственная маскировка
[ редактировать ]Волны и материал-хозяин, в котором они распространяются, находятся в симбиотических отношениях: оба действуют друг на друга. Простой пространственный плащ основан на точной настройке свойств среды распространения, чтобы плавно направить поток вокруг объекта, как вода, текущая мимо камня в потоке, но без отражения или без создания турбулентности. Другая аналогия - это поток автомобилей, проезжающих по симметричному островку безопасности : автомобили временно отклоняются в сторону, но позже могут снова собраться в плавный поток, который не содержит информации о том, был ли островок безопасности маленьким или большим, были ли цветы или большой рекламный щит на нем мог быть установлен .
Хотя обе приведенные выше аналогии подразумевают направление (потока воды или ориентации дороги), плащи часто проектируются так, чтобы быть изотропными , то есть работать одинаково хорошо для всех направлений. Однако они не обязательно должны быть такими общими и могут работать только в двух измерениях, как в оригинальной электромагнитной демонстрации, или только с одной стороны, как в случае с так называемым ковровым плащом .
У пространственных плащей есть и другие характеристики: все, что они содержат, может (в принципе) оставаться невидимым навсегда, поскольку объект внутри плаща может просто там оставаться. Сигналы, излучаемые объектами внутри плаща, которые не поглощаются, также могут навсегда задерживаться его внутренней структурой. Если бы пространственный покров можно было выключать и снова включать по желанию, объекты внутри него соответственно появлялись бы и исчезали.
Маскировка пространства-времени
[ редактировать ]Плащ событий — это средство манипулирования электромагнитным излучением в пространстве и времени таким образом, чтобы определенная совокупность событий или событий была скрыта от удаленных наблюдателей. Концептуально взломщик сейфов может войти на место происшествия, украсть деньги и уйти, в то время как камера наблюдения фиксирует, что дверь сейфа все время заперта и не потревожена. Эта концепция использует науку о метаматериалах, в которой свет можно заставить вести себя так, как не встречается в природных материалах. [ 3 ]
Плащ событий работает путем создания среды, в которой различные части света, освещающие определенную область, могут замедляться или ускоряться. Ведущая часть света ускоряется, поэтому она появляется раньше, чем происходят события, тогда как задняя часть замедляется и приходит слишком поздно. После их возникновения свет реформируется за счет замедления ведущей части и ускорения задней части. Удаленный наблюдатель видит лишь непрерывное освещение, а события, произошедшие в темный период действия плаща, остаются незамеченными. Идея может быть связана с движением транспорта по шоссе: в определенный момент некоторые автомобили ускоряются, а те, что сзади, замедляются. В результате образуется временное препятствие для движения транспорта, позволяющее пешеходу перейти дорогу. После этого процесс можно повернуть вспять, чтобы трафик возобновил непрерывный поток без перерывов. Рассматривая автомобили как легкие частицы (фотоны), наблюдатель, идущий по шоссе, который видит непрерывный и невозмущенный поток автомобилей, никогда не заподозрит действия пешехода, переходящего дорогу. [ 3 ] [ 4 ]
Для абсолютной скрытности события должны быть неизлучающими. Если они все же излучают свет во время своего появления (например, за счет флуоресценции), то этот свет воспринимается удаленным наблюдателем как одиночная вспышка. [ 3 ]
Приложения Event Cloak включают возможность достижения «прерывания без прерываний» в каналах данных, которые сходятся в узле. Основной расчет может быть временно приостановлен для обработки приоритетной информации из другого канала. После этого приостановленный канал можно возобновить таким образом, чтобы казалось, что он никогда не прерывался. [ 3 ]
Идея создания плаща была впервые предложена группой исследователей из Имперского колледжа Лондона (Великобритания) в 2010 году и опубликована в журнале Journal of Optics. [ 3 ] Экспериментальная демонстрация базовой концепции с использованием нелинейной оптической технологии была представлена в препринте по физике Корнелла arXiv . [ 5 ] При этом используются временные линзы для замедления и ускорения света, что улучшает исходное предложение Макколла и др. [ 3 ] который вместо этого полагался на нелинейный показатель преломления оптических волокон . В эксперименте утверждается, что замаскированный временной интервал составляет около 10 пикосекунд , но такое расширение до наносекундного и микросекундного режимов должно быть возможным.
Также была предложена схема маскировки событий, требующая единой дисперсионной среды (вместо двух последовательных сред с противоположной дисперсией), основанная на ускоряющихся волновых пакетах. [ 6 ] Идея основана на модуляции части монохроматической световой волны прерывистым нелинейным частотным чирпом так, что в пространстве-времени создаются две противоположные ускоряющиеся каустики, поскольку разные частотные компоненты распространяются с разными групповыми скоростями в дисперсионной среде. Из-за структуры частотного чирпа расширение и сокращение временного промежутка происходят непрерывно в одной и той же среде, создавая, таким образом, двояковыпуклый временной промежуток, скрывающий замкнутые события. [ 6 ]
Аномальная маскировка локализованного резонанса
[ редактировать ]В 2006 году, в том же году, когда был создан первый плащ из метаматериала, был предложен другой тип плаща. Этот тип маскировки использует резонанс световых резонансом волн, одновременно согласуясь с другого объекта. В частности, частица, помещенная рядом с суперлинзой, может показаться исчезнувшей, поскольку свет, окружающий частицу, резонирует на той же частоте, что и суперлинза. Резонанс эффективно нейтрализует свет, отражающийся от частицы, делая частицу электромагнитно невидимой. [ 7 ]
Маскировка объектов на расстоянии
[ редактировать ]В 2009 году пассивное маскировочное устройство было разработано как «устройство внешней невидимости», которое оставляет скрытый объект открытым, чтобы он мог «видеть» свое окружение. Это основано на предпосылке, что исследования маскировки не предоставили адекватного решения внутренней проблемы; поскольку никакое электромагнитное излучение не может проникнуть в замаскированное пространство или выйти из него, это оставляет скрытый объект плаща без возможности обнаружить визуально или иным образом что-либо за пределами замаскированного пространства. [ 8 ] [ 9 ]
Такое маскировочное устройство также способно «маскировать» только части объекта, например, открывать виртуальный глазок на стене, чтобы видеть другую сторону. [ 10 ]
Аналогию с трафиком, использованную выше для пространственной маскировки, можно адаптировать (хотя и несовершенно) для описания этого процесса. Представьте себе, что в районе кольцевой развязки сломался автомобиль, который нарушает движение транспорта, вынуждая машины разъезжаться по разным маршрутам или создавая пробку . Этот внешний покров соответствует тщательно деформированной кольцевой развязке, которой удается нейтрализовать или противодействовать эффекту сломанной машины – так что, когда транспортный поток уходит, на ней снова не остается никаких следов ни кольцевой развязки, ни сломанной машины.
Плазмонное покрытие
[ редактировать ]Плазмонная оболочка , упомянутая наряду с оболочками из метаматериалов (см. Плазмонные метаматериалы ), теоретически использует эффекты плазмонного резонанса для уменьшения общего сечения рассеяния сферических и цилиндрических объектов. Это оболочки из метаматериала без потерь вблизи их плазменного резонанса, которые, возможно, могут вызвать резкое падение сечения рассеяния, делая эти объекты почти «невидимыми» или «прозрачными» для внешнего наблюдателя. Можно использовать пассивные покрытия с низкими потерями или даже без потерь, которые не требуют большого рассеивания, но основаны на совершенно другом механизме. [ 11 ]
Для этого эффекта необходимы материалы с отрицательными или низкими определяющими параметрами. Эту потребность могут удовлетворить определенные металлы, близкие к их плазменной частоте, или метаматериалы с отрицательными параметрами. Например, некоторые благородные металлы удовлетворяют этому требованию благодаря своей диэлектрической проницаемости в инфракрасном или видимом диапазоне волн с относительно низкими потерями. [ 11 ]
В настоящее время только микроскопические объекты могут казаться прозрачными. [ 11 ]
Эти материалы далее описываются как однородные изотропные метаматериалы, покрывающие вблизи плазменной частоты, резко уменьшающие поля, рассеиваемые данным объектом. Более того, они не требуют какого-либо процесса поглощения, какой-либо анизотропии или неоднородности, а также какого-либо подавления помех. [ 11 ]
«Классическая теория» метаматериальных оболочек работает со светом только одной определенной частоты. Новое исследование Корт-Кампа и др . [ 12 ] который выиграл премию «Школа нелинейной оптики и нанофотоники» 2013 года, показывает, что метаматериал можно настроить на разные частоты света.
Туннельный светопропускающий плащ
[ редактировать ]Как следует из номенклатуры, это тип светопропускания. Передача света ( ЭМ-излучения ) через такой объект, как металлическая пленка, происходит с помощью туннелирования между резонирующими включениями. Этот эффект можно создать, например, путем внедрения периодической конфигурации диэлектриков в металл. При создании и наблюдении пиков пропускания взаимодействия между диэлектриками и интерференционные эффекты вызывают смешивание и расщепление резонансов. При эффективной диэлектрической проницаемости, близкой к единице, результаты можно использовать для предложения метода превращения получаемых материалов в невидимые. [ 2 ]
Дополнительные исследования в области технологии маскировки
[ редактировать ]Есть и другие предложения по использованию технологии клоакинга.
В 2007 году рассмотрена маскировка метаматериалами и представлены недостатки. В то же время представлены теоретические решения, которые могут улучшить возможности маскировки объектов. [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] Позже в 2007 году математическое усовершенствование цилиндрической защиты для создания электромагнитной «червоточины» анализируется в трех измерениях. [ 17 ] Электромагнитные червоточины, как оптическое устройство (не гравитационное), основанное на теориях маскировки, имеют потенциальное применение для развития некоторых современных технологий. [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]
Другие достижения могут быть реализованы с помощью акустической суперлинзы . Кроме того, акустические метаматериалы реализовали отрицательное преломление звуковых волн. Возможными достижениями могут стать усовершенствование ультразвукового сканирования, повышение точности звукового медицинского сканирования, более подробные сейсмические карты и здания, более не подверженные землетрясениям. Изображение под землей можно улучшить за счет более мелких деталей. Акустическая суперлинза, акустическая маскировка и акустические метаматериалы находят новые применения для фокусировки или управления звуковыми волнами. [ 21 ]
Технология акустической маскировки может быть использована, чтобы помешать наблюдателю, использующему гидролокатор, обнаружить присутствие объекта, который обычно можно обнаружить, поскольку он отражает или рассеивает звуковые волны. В идеале технология должна охватывать широкий спектр вибраций в различных масштабах. Диапазон может варьироваться от миниатюрных электронных или механических компонентов до сильных землетрясений. Хотя наибольший прогресс был достигнут в математических и теоретических решениях, недавно было продемонстрировано лабораторное устройство из метаматериала для уклонения от гидролокатора. Его можно применять для звуковых волн от 40 до 80 кГц. [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]
Волны также распространяются на водоемы. Была разработана теория плаща, который мог бы «скрывать» или защищать искусственные платформы, корабли и естественные береговые линии от разрушительных океанских волн, включая цунами. [ 22 ] [ 24 ] [ 25 ]
См. также
[ редактировать ]- Книги
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Кильдышев А.В.; Шалаев, В.М. (2007). «Инженерное пространство для света через трансформационную оптику» (PDF) . Оптические письма . 33 (1): 43–45. arXiv : 0711.0183 . Бибкод : 2008OptL...33...43K . дои : 10.1364/OL.33.000043 . ПМИД 18157252 . S2CID 15407450 . Проверено 14 февраля 2010 г.
- ^ Перейти обратно: а б Гарсия де Абахо, Ф.Дж.; Гомес-Сантос, Г.; Бланко, Луизиана; Борисов, А.Г.; Шабанов, С.В. (2005). «Туннельный механизм пропускания света через металлические пленки». Письма о физических отзывах . 95 (6): 067403. arXiv : 0708.0994 . Бибкод : 2005PhRvL..95f7403G . doi : 10.1103/PhysRevLett.95.067403 . ПМИД 16090989 . S2CID 7207459 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж МакКолл, Миссури; Фаваро, А.; Кинслер, П.; Бордман, А. (2011). «Пространственно-временной плащ, или редактор истории» (PDF) . Журнал оптики . 13 (2): 024003. Бибкод : 2011JOpt...13b4003M . дои : 10.1088/2040-8978/13/2/024003 . hdl : 10044/1/18771 . S2CID 123454908 . Архивировано из оригинала (PDF) 26 июля 2011 г.
- ^ Маскировка пространства-времени . Мир физики (7 июля 2011 г.)
- ^ Фридман, М.; Фарси, А.; Окавати, Ю.; Гаэта, Алабама (2011). «Демонстрация временной маскировки». Природа . 481 (7379): 62–65. arXiv : 1107.2062 . Бибкод : 2012Natur.481...62F . дои : 10.1038/nature10695 . ПМИД 22222748 . S2CID 4421175 .
- ^ Перейти обратно: а б Хреммос, Иоаннис (1 августа 2014 г.). «Временная маскировка с помощью ускоряющихся волновых пакетов» . Оптические письма . 39 (15): 4611–4614. arXiv : 1406.4459 . Бибкод : 2014OptL...39.4611C . дои : 10.1364/OL.39.004611 . ISSN 0146-9592 . ПМИД 25078241 . S2CID 21641219 .
- ^ Никорович, Н.; Милтон, Г. (2006). «Об эффектах маскировки, связанных с аномальным локализованным резонансом» (PDF) . Труды Королевского общества А. 462 (2074): 3027–3059. Бибкод : 2006RSPSA.462.3027M . дои : 10.1098/rspa.2006.1715 . S2CID 26826703 . Архивировано из оригинала (PDF) 19 июля 2011 г. Проверено 3 марта 2010 г.
- ^ Лай, Ю. (июль 2009 г.). «Внешнее устройство невидимости маскирует объекты на расстоянии». Отдел новостей SPIE . дои : 10.1117/2.1200907.1720 .
- ^ Лай, Ю.; Чен, HY; Чжан, ZQ; Чан, Коннектикут (2009). «Дополнительный плащ-невидимка для СМИ, который скрывает объекты на расстоянии за пределами маскирующей оболочки». Письма о физических отзывах . 102 (9): 093901. arXiv : 0811.0458 . Бибкод : 2009PhRvL.102i3901L . doi : 10.1103/PhysRevLett.102.093901 . ПМИД 19392518 . S2CID 5770045 .
- ^ Лай, Ю.; Нг, Дж.; Чен, HY; Хан, ДЗ; Сяо, Джей-Джей; Чжан, ZQ; Чан, Коннектикут (2009). «Оптика иллюзий: оптическое преобразование объекта в другой объект». Письма о физических отзывах . 102 (25): 253902. arXiv : 0905.1484 . Бибкод : 2009PhRvL.102y3902L . doi : 10.1103/PhysRevLett.102.253902 . ПМИД 19659076 . S2CID 11301771 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Алу, А.; Энгета, Н. (2005). «Достижение прозрачности с помощью плазмонных и метаматериальных покрытий» . Физический обзор E . 72 (1 Pt 2): 016623. arXiv : cond-mat/0502336 . Бибкод : 2005PhRvE..72a6623A . дои : 10.1103/PhysRevE.72.016623 . ПМИД 16090123 . S2CID 6004609 .
- ^ « Настройка плазмонных плащей с помощью внешнего магнитного поля », WJM Kort-Kamp, FSS Rosa, FA Pinheiro, C. Farina.
- ^ Гринлиф, А.; Курылев Ю.; Лассас, М.; Ульманн, Г. (2007). «Улучшение маскировки цилиндрической формы с помощью СВС-футеровки». Оптика Экспресс . 15 (20): 12717–34. arXiv : 0707.1315 . Бибкод : 2007OExpr..1512717G . дои : 10.1364/OE.15.012717 . ПМИД 19550540 . S2CID 9241851 .
- ^ Ян, М.; Руан, З.; Цю, М. (2007). «Цилиндрический плащ-невидимка с упрощенными параметрами материала является видимым по своей сути». Письма о физических отзывах . 99 (23): 233901. arXiv : 0706.0655 . Бибкод : 2007PhRvL..99w3901Y . doi : 10.1103/PhysRevLett.99.233901 . ПМИД 18233363 . S2CID 13884148 .
- ^ Руан, З.; Ян, М.; Нефф, CW; Цю, М. (2007). «Идеальный цилиндрический плащ: идеальный, но чувствительный к крошечным возмущениям». Письма о физических отзывах . 99 (11): 113903. arXiv : 0704.1183 . Бибкод : 2007PhRvL..99k3903R . doi : 10.1103/PhysRevLett.99.113903 . ПМИД 17930440 .
- ^ Руан, З.; Ян, М.; Нефф, CW; Цю, М. (2007). «Подтверждение цилиндрической идеальной мантии-невидимки с помощью анализа Фурье-Бесселя». Письма о физических отзывах . 99 (11): 113903. arXiv : 0704.1183 . Бибкод : 2007PhRvL..99k3903R . doi : 10.1103/PhysRevLett.99.113903 . ПМИД 17930440 .
- ^ Гринлиф, А.; Курылев Ю.; Лассас, М.; Ульманн, Г. (2007). «Улучшение маскировки цилиндрической формы с помощью СВС-футеровки». Оптика Экспресс . 15 (20): 12717–12734. arXiv : 0707.1315 . Бибкод : 2007OExpr..1512717G . дои : 10.1364/OE.15.012717 . ПМИД 19550540 . S2CID 9241851 .
- ^ Стивенсон, Дж. (5 марта 2009 г.). «Ученые приближаются к тому, чтобы сделать плащ-невидимку реальностью » Эврика, тревога . Общество промышленной и прикладной математики . Проверено 8 апреля 2009 г.
- ^ «Ученые приближаются к тому, чтобы сделать плащ-невидимку реальностью » ФизОрг . 5 марта 2009 года . Проверено 8 декабря 2010 г.
- ^ Гринлиф, А.; Курылев Ю.; Лассас, М.; Ульманн, Г. (2009). «Маскирующие устройства, электромагнитные червоточины и трансформационная оптика». Обзор СИАМ . 51 (1): 3. Бибкод : 2009SIAMR..51....3G . CiteSeerX 10.1.1.587.1821 . дои : 10.1137/080716827 .
- ^ Перейти обратно: а б Адлер, Р. (8 января 2008 г.). «Акустическая «суперлинза» может обеспечить более точное ультразвуковое сканирование» . Новый учёный . Проверено 12 августа 2009 г.
- ^ Перейти обратно: а б Нельсон, Б. (19 января 2011 г.). «Новый метаматериал может сделать подводные лодки невидимыми для гидролокаторов» . Обновление обороны . Архивировано из оригинала 22 января 2011 года . Проверено 31 января 2011 г.
- ^ Национальный научный фонд (7 января 2011 г.). «Недавно разработанный плащ скрывает подводные объекты от сонара» . Новости США , раздел науки . Проверено 1 февраля 2011 г.
- ^ Нельсон, Б. (26 октября 2008 г.). «Плащ-невидимка» для защиты от цунами? . Новости Эн-Би-Си . Архивировано из оригинала 6 марта 2016 года . Проверено 8 декабря 2010 г. Материал в этом параграфе находится в свободном доступе по данным НАСА Заголовки: октябрь 2008 г. . Основная ссылка на статью с дополнительной информацией, касающейся этой теории, взята из NBC News.
- ^ «Акустическая маскировка может скрыть объекты от сонара» . Информация для машиностроения и техники . Университет Иллинойса (Урбана-Шампейн). 21 апреля 2009. Архивировано из оригинала 17 февраля 2011 года . Проверено 1 февраля 2011 г.
