Refractia negativa

$: Refractia negativa$
REFRACŢIA NEGATIVĂ

AutorElev

Profesor coordonatorDELLIA-RAISSA FORŢU

Concursul de Creativitate Ştiinţifică bdquoŞtefan Procopiurdquomartie 2012

CUPRINS

1Introducerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

2Refracţia pozitivăhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5

3Refracţia negativăhelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9

4Metamaterialehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12

5 Invizibilitateahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21

6 Bibliografiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26

2

1 Introducere

Ştiinţa este fascinantă nu numai datorită faptului că descoperă noi şi

noi domenii de cercetare dar şi datorită capacităţii sale de a descoperi

lucruri absolut noi icircn domeniile ldquovechi de cacircnd lumeardquo unde nimeni nu s-ar

aştepta să se mai facă vreo descoperire uluitoare Puţini icircşi pot icircnchipui că şi

bine cunoscuta optică geometrică poate fi reconsiderată sau redescoperită de

ştiinţă

Orice persoană iniţiată icircntr-o măsură oarecare icircn fizică cunoaşte că

toate materialele pot fi caracterizate din punct de vedere al interacţiunii lor

cu cacircmpurile electromagnetice prin doi parametri numiţi permeabilitatea

magnetică (μ) şi permitivitatea electrică (ε) Aceşti parametri determină

complet modul de interacţiune a radiaţiei electromagnetice cu materialul

respectiv Cei mai puţin iniţiaţi icircn fizică nu sunt familiarizaţi cu μ si ε ci cu

indicele de refracţie n care nu este altceva decacirct o generalizare a celor doi

parametri (μ si ε) icircn unul singur (n) Pacircnă nu demult se considera că indicele

de refracţie al materialelor obişnuite poate lua numai valori pozitive mai

mari decacirct 1 Icircnsă nimeni nu ne icircmpiedică sa considerăm cel puţin

imaginar că există materiale la care indicele de refracţie ia valori mai mici

ca 1 sau chiar negative

Victor Georgievich Veselago născut icircn 1929 icircn Ucraina URSS

fizician rus la Institutul de fizică generală al Academiei de Ştiinţe din

Moscova care icircn 1967 a fost primul care a teoretizat existenţa materialelor

cu indici de refracţie negativi El a demonstrat icircn una din lucrările sale că

dacă permitivitatea şi permeabilitatea unui material sunt simultan negative

3

indicele de refracţie al acestui material va fi de asemenea negativ Icircn această

afirmaţie este ascuns un element de noutate ştiinţifică care poate duce la

reconsiderarea opticii geometrice cunoscute pacircnă

acum

bull Imagini ale propagării luminii icircntr-un

bicristal YVO4 descriind refracţia totala

Icircn cristalul de sus se prezintă un exemplu

de refracţie negativă iar in cristalul de jos

refracţie pozitivă( Fig1)

Munca de cercetare a lui Veselago a rămas necunoscută mult timp pacircnă

cacircnd fanteziile lui matematice au fost concretizate prin crearea unor

superlentile Interesul faţă de materialele cu indicele de refracţie negativ a

fost icircnsă reicircnviat cu cacircţiva ani icircn urma (1999) cacircnd fizicianul englez John

Pendry de la Imperial College din Londra a propus să se construiască cu

ajutorul acestor materiale lentile perfecte

Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au

descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut

publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că

omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The

Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea

din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme

Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn

Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and

Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu

ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de

domeniul science fiction a declarat profesorul Milton

4

2 Refracţia pozitivă

Refracţia este schimbarea direcţiei de propagare a unei unde din

cauza schimbării vitezei de propagare cel mai adesea la interfaţa dintre

două medii Cel mai uşor de observat exemplu este icircn cazul luminii atunci

cacircnd aceasta trece dintr-un mediu transparent (aer apă sticlă etc) icircn altul

Totuşi fenomenul se petrece cu toate undele inclusiv cu cele sonore La

interfaţa dintre două medii viteza de fază și lungimea de undă se modifică

unda icircși schimbă direcţia icircnsă frecvenţa rămacircne aceeaşi Icircn optică pentru

studiul refracţiei se foloseşte noţiunea de indice de refracţie care este direct

legată de viteza de propagare Lentilele și prismele optice se bazează pe

fenomenul de refracţie pentru a modifica direcţia razelor de lumină Odată

cu refracţia are loc și reflexia adică o parte a undei se reflectă icircnapoi icircn

mediul iniţial după legile obişnuite ale reflexiei (cu excepţia cazului icircn care

unghiul de incidenţă este nul sau dacă avem de-a face cu materiale speciale

cu indice de refracţie negativ) Fig2

Cel mai adesea icircn viaţa de zi

cu zi se poate observa refracţia

atunci cacircnd privim icircntr-un vas cu

apă obiectele par a fi mai aproape

de suprafaţă decacirct sunt iar poziţia

lor pare a se schimba odată cu

unghiul din care sunt privite (Fig2) Pentru a determina poziţia unui obiect

creierul uman analizează o pereche de raze de lumină venite de la acel

5

obiect icircncercacircnd să afle unde se intersectează De aceea icircn imaginile

alăturate sunt prezentate perechi de raze care se refractă icircmpreună (deşi sub

un unghi uşor diferit din cauza unghiurilor de incidenţă diferite)

Tot refracţia este fenomenul din spatele curcubeului (Fig3) ori a

mirajelor care apar de exemplu icircn deşert sau vara cacircnd asfaltul este icircncălzit

( Fig4) atunci cacircnd temperatura aerului variază foarte rapid cu icircnălţimea

Fig3 Fig4

Icircn mod similar poziţiile reale ale astrelor de pe cer nu sunt cele

aparente mai ales atunci cacircnd aceste astre se văd aproape de orizont intracircnd

icircn atmosferă pieziş ele se refractă progresiv din cauza dependenţei indicelui

de refracţie al aerului de altitudine (icircn principal prin intermediul presiunii)

Aşa se explică şi variaţia discontinuă a poziţiei şi formei Soarelui atunci

cacircnd apune ori răsare

Fig5 Un miraj artificial se obţine folosind

soluţie de zahăr icircn care indicele de refracţie

descreşte de la bază la vacircrful cuvei Pisica apare

icircn imagini multiple

Un fenomen asemănător apare icircn cazul undelor

electromagnetice emise de şi către sateliţi icircn

mod normal devierea este nesemnificativă dar

icircn cazul semnalelor GPS ea trebuie calculată

pentru a se putea obţine o precizie mai bună a

poziţiei determinate Se poate remarca de asemenea faptul că refracţia este

similară unei probleme matematice se dau două puncte aflate icircn medii

6

diferite (icircn sensul că viteza de deplasare prin cele două medii diferă) se cere

drumul optim icircntre cele două puncte Intuitiv problema poate fi enunţată

astfel o persoană se află pe plajă şi trebuie să ajungă la o baliză aflată icircn

apă (se presupune că linia ţărmului este o dreaptă) care este drumul optim

(din punct de vedere temporal) ţinacircnd cont că pe plajă aleargă mai repede

decacirct icircnoată icircn apă Desigur că soluţia depinde de raportul vitezelor icircn cele

două medii (icircn cazul luminii acest raport se numește indice de refracţie) O

rază de lumină care porneşte dintr-un punct aflat icircn unul dintre medii va

urma tocmai acest drum optim pentru a ajunge la un punct din celălalt

mediu Icircn cazul refracţiei pozitive raza se va propaga intr-o direcţie situată

icircntre perpendiculara pe suprafaţa

materialului şi direcţia razei iniţiale

Fig6

Pe de altă parte icircn cazul indicelui de

refracţie negativ n lt0 unghiul de

refracţie va fi de asemenea negativ raza refractată se va situa prin urmare de

partea stacircngă a normalei la suprafaţa materialului ( Fig6)

Indicele de refracţie al unui mediu este raportul dintre viteza luminii in vid

şi viteza luminii icircn acel mediu Datorită faptului că lumina de frecvenţe

diferite călătoreşte la viteze diferite icircntr-un mediu indicele de refracţie este

diferit pentru lumina de frecvenţe diferite Asta icircnseamnă că lumina de

culori diferite este refractată la unghiuri diferite cacircnd trece dintr-un mediu icircn

altul Efectul obţinut este dispersia luminii la trecerea acesteia prin prisma

optică Pentru cacircteva substanţe indicele de refracţie este 1000 pentru vid

10003 pentru aer 1309 pentru gheaţă 152 pentru sticlă crown 192

pentru zircon şi 242 pentru diamant

Legea refracţiei Snell-Descartes importantă lege numită astfel

după matematicianul olandez Willebrord Snell şi francezul Descartes

7

afirmă că produsul indicelui de refracţie şi sinusul unghiului de incidenţă al

unei raze icircntr-un mediu este egal cu produsul indicelui de refracţie şi

sinusului unghiului de refracţie icircntr-un mediu succesiv adică

Indicele de refracţie al unui mediu este caracterizat prin două mărimi

micror ndash permeabilitatea magnetică relativă şi εr- permitivitatea electrică relativă

ale mediului considerat astfel avem relaţia

8

3 Refracţia negativă

Refracţia negativă este un fenomen anormal icircn electromagnetism

pentru care raza refractată este de aceeaşi parte ca şi raza incidentă (vezi

figura alăturată) unde icircn cazul a) refracţia este icircntr-un material obişnuit ( n

gt 1) şi icircn cazul b) refracţia este neobişnuită icircn material cu indicele de

refracţie negativ (n lt 0) Deoarece unghiul de incidenţă i ia valori intre 0 si

2π respectiv sin i va fi mai mare ca

zero De aici rezultă că semnul lui sin

r va coincide cu semnul indicelui de

refracţie al materialului n

Fig7

Astfel dacă n gt 1 unghiul de refracţie va fi unul pozitiv (Fig 7a) şi mai mic

ca unghiul de incidenţă Adică raza se va propaga intr-o direcţie situată icircntre

perpendiculara pe suprafaţa materialului şi direcţia razei iniţiale Pe de altă

parte icircn cazul indicelui de refracţie negativ n lt 0 unghiul de refracţie va fi

de asemenea negativ ( Fig7b) Deci raza refractată se va situa de partea

stacircngă a normalei la suprafaţa materialului O astfel de refracţie ldquonegativărdquo

este total neobişnuită pentru materialele icircntacirclnite icircn natură

Printre consecinţele imediate ale refracţiei negative putem enumera

următoarele

1 Din punctul de vedere al opticii ondulatorii un material cu indicele de

refracţie negativ va modifica unda de lumină icircntr-un aşa mod icircncacirct unda va

produce vibraţii icircntr-o direcţie iar energia undei se va propaga icircn sens opus

9

2 Efectul Doppler va fi inversat adică frecvenţa unei surse de lumină care

se apropie de observator nu se va mări (deplasarea spre violet) cum este

firesc ci se va micşora (deplasarea spre roşu)

3 Efectul Cerenkov va fi de asemenea inversat Deci lumina generată

datorită faptului că mediul respectiv este traversat de o particulă icircncărcată va

fi emisă icircn spatele particulei şi nu icircn faţa ei

4 După cum a arătat Veselago icircn lucrările sale o simplă pană plan-paralelă

va funcţiona ca o lentilă creacircnd o imagine a obiectului icircn interiorul penei şi

alta de partea cealaltă a ei (Fig8) Această

proprietate ar simplifica considerabil

fabricarea lentilelor deoarece nu ar mai fi

necesar de a se prelucra lentila pentru a fi

convexă sau concavă după caz O astfel de

lentilă ar fi mai puţin capricioasă decacirct

lentilele obişnuite din simplul motiv că

obiectul ar putea fi situat icircn orice poziţie faţă

de lentilă şi nu numai pe axa ei cum e cazul

lentilelor obişnuite

5 O altă consecinţă a indicelui de refracţie negativ pe care se bazează ideea

lui J Pendry cu privire la lentilele perfecte este că undele evanescente ale

unui corp ar putea fi amplificate de o lentilă cu indicele de refracţie negativ

Undele evanescente ale unui corp au o lungime de undă foarte mică şi de

obicei nu părăsesc suprafaţa corpurilor Datorită lungimii de undă mici ele

conţin informaţia cea mai detaliată despre corp

6 Se ştie că atunci cacircnd privim intr-un vas cu apă adacircncimea acestui vas

pare a fi mult mai mică decacirct este icircn realitate

Acest efect se datorează

faptului că indicele de

refracţie al apei este pozitiv

10

Fig8pană plan-paralelă va funcţiona ca o lentilă creacircnd o imagine a obiectului icircn interiorul penei şi alta de partea cealaltă a ei

Admiţacircnd icircnsă că apa ar avea un indice de refracţie negativ adacircncimea

vasului cu apă nu ni s-ar mai părea a fi prea mică ci din contra vasul ar

părea mult mai adacircnc decacirct este icircn realitate iar un creion icircn paharul cu apă

se va vedea ca icircn fotografia alăturată stacircnga ( Fig9)

7 Comportarea lentilelor la lumină este inversă decacirct in cazul obişnuit

(a) Lentila convexă efect divergent

(b) Lentila concavă efect convergent

Notă Similar se icircntacircmplă icircn microunde şi icircn domeniul X pentru materialele

transparente cu 0 lt n lt 1 (nu au n lt 0)

8 Imaginea obiectelor printr-un material cu indice de refracţie negativ va fi

situată ca icircn Fig10 de mai jos unde se observă

bull imaginea peştelui situat icircn apă mai sus decacirct icircn realitate dar icircn interiorul

apei pentru indice de refracţie pozitiv- refracţie pozitivă

bull imaginea peştelui situat icircn apă mai sus decacirct icircn realitate dar icircn exteriorul

apei pentru indice de refracţie negativ- refracţie negativă

Fig10

11

4 Metamateriale

Materialele cu indicele de refracţie negativ se mai numesc şi

ldquomateriale de stacircngardquo (icircn engleză ldquoleft-handed materialsrdquo (LHM)) Icircn

materialele obişnuite adică icircn cele cu n gt 1 poziţia relativă a vectorilor

cacircmpului magnetic şi electric al unei unde se poate afla foarte uşor folosind

aşa-numita ldquoregulă a macircinii drepterdquo Se ştie că unda electromagnetică are

reprezentarea prin cei doi vectori E ndash intensitatea cacircmpului electric şi B-

inducţia cacircmpului magnetic vectori perpendiculari unul pe altul şi pe

direcţia de propagare a undei marcată prin vectorul k (Fig11)

Fig11

Pentru materialele cu indicele de refracţie negativ această regulă nu

mai este valabilă fiind necesar să se folosească ldquoregula macircinii stacircngirdquo De

aici şi provine denumirea de materiale ldquode stacircngardquo Ele mai sunt numite şi

materiale cu undă inversată (ldquobackward wave materialsrdquo (BWM) aceasta

fiind o aluzie la faptul că energia undei se propagă icircn sens opus faţă de

sensul de propagare al undei Icircnsă de cele mai multe ori ele sunt numite

materiale cu indice negativ (ldquonegative index materialsrdquo (NIM)) sau

materiale cu indice de refracţie negativ (ldquonegative refractive indexrdquo (NRI))

Este interesant faptul că materiale cu valori negative ale unuia din cei doi

parametri (ε sau μ) se icircntacirclnesc şi icircn natură De exemplu icircn unele metale

12

cum ar fi argintul sau semiconductori la anumite frecvenţe şi condiţii

exterioare ε ia valori negative Un alt exemplu icircl constituie aşa-numită

plasmă neutră fără coliziuni (puternic rarefiată) care nu este prea comună icircn

viaţa de toate zilele O astfel de plasmă are permitivitatea negativă la

frecvenţe mai mici decacirct aşa numita ldquofrecvenţă de plasmărdquo De asemenea

există o serie de materiale feromagnetice şi antiferomagnetice ale căror

permeabilităţii magnetice μ au valori negative

Icircn 1996 Pendry a anunţat că a obţinut un material artificial care fiind

expus acţiunii undelor electromagnetice are un răspuns asemănător cu cel al

plasmei neutre fără coliziuni deci are permitivitatea electrică ε negativă

Materialul raportat de Pendry reprezintă un masiv de conductori plasaţi

paralel la anumite distanţe unul de altul Cacircţiva ani mai tacircrziu Pendry a

anunţat fabricarea unui alt tip de material

artificial ndash aşa-numitul rezonator cu inele

deschise (split-ring rezonator (SRR) a

cărui permeabilitate magnetică μ icircntr-un

anumit domeniu de frecvenţe are valoare

negativă De aici şi pacircnă la realizarea ideii

lui Veselago nu mai rămăsese mult

Combinarea celor două materiale propuse

de Pendry ar forma un material cu valori

negative aticirct pentru permitivitatea electrică

ε cacirct şi pentru permeabilitatea magnetică μ Figura alăturată ne dă o

imagine cum ar putea arăta un astfel de material ( Fig11)

13

Fig12 Metamaterialul compus din inele şi fire metalice care are indice de refracţie negativ material cu valori negative aticirct pentru permitivitatea electrică ε cacirct şi pentru permeabilitatea magnetică μ

Măsurările electromagnetice ale materialelor propuse de Pendry au

fost realizate de D Smith şi echipa sa de la Universitatea din California

SUA Icircn cazul primului material (cu permitivitatea ε negativă) s-a observat

că există un anumit interval de frecvenţe icircn care toate microundele sunt

reflectate Folosind o noţiune din domeniul cristalelor fotonice putem spune

că acest material are o bandă interzisă pentru un anumit interval de

frecvenţe Este surprinzător faptul că dacă se combină acest material cu

materialul al doilea propus de Pendry undele din acelaşi interval nu mai

sunt reflectate ci transmise de material După un şir de alte experimente

Smith et al au ajuns la concluzia că metamaterialul compus din cele două

materiale propuse de Pendry icircndeplinesc condiţiile formulate de Veselago

pentru ca un material să aibă indicele de refracţie negativ Smith spune că

refracţia negativă observată de ei nu este mică ci din contra poate ajunge

chiar pacircnă la 80deg faţă de normala pe suprafaţa de incidenţă Imediat după

publicarea rezultatelor obţinute de Smith şi colaboratorii săi un alt grup de

cercetători de această dată de la Toronto Canada a anunţat că a reuşit

fabricarea unui material cu proprietăţi asemănătoare dar care are o structură

mult mai simplă decacirct cel investigat de echipa lui Smith Mai mult ca atacirct

Shalaev de la Universitatea din Purdue SUA au propus o structură care ar

permite fabricarea peliculelor subţiri cu indicele de refracţie negativ iar o

echipă din Elveţia a anunţat că este pe cale de a fabrica o structură

tridimensională cu indicele de refracţie negativ

Icircn pofida faptului că au fost publicate multe articole care pretind că a

fost observată experimental refracţia negativă icircn diferite materiale icircn lume

există cercetători care continuă să creadă că aşa ceva este contrar legilor

naturii şi că toate măsurătorile efectuate pacircnă acum nu sunt decicirct nişte

bdquoartefacterdquo experimentale W Kohn de la Universitatea din California

14

SUA spune ldquoMaterialele cu indice de refracţie negativ reprezintă o idee

genială icircnsă nu aş fi surprins dacă nu s-ar găsi multe aplicaţii ale acestor

materialerdquo Este suficient să ne aducem aminte că imediat după inventarea

laserului comunitatea ştiinţifică a fost surprinsă că s-a lucrat atacirct de mult

pentru a-l obţine iar aplicaţiile momentane ale laserului erau atacirct de

limitate Astăzi aplicaţiile laserului sunt atacirct de diverse şi multiple icircncacirct

este greu să ţi le imaginezi Să sperăm că istoria se va repeta şi icircn cazul

materialelor cu indicele de refracţie negativ

Pentru ca indicele de refracţie n să fie o mărime care să aibă

semnificaţie fizică (să existe) este nevoie de material omogen sau cvasi-

omogen (scala spaţială aneomogenităţilor periodice p să fie p ltlt l sau p lt

l4 ) Exemple de materiale omogene pentru lumina vizibilă (500 nm) sunt

gaze lichide solide transparente Exemple de neomogenităţi neglijabile

pentru lumina vizibilă sunt atomi molecule unde diametre atomice sunt

001 nm ndash 01 nm iar dimensiunile legăturilor atomice sunt 01 nm ndash 02

nm (legătura C-C 0154 nm hexagon benzen 0280 nm) diametrul

moleculei de ulei asymp 20 nm - 25 nm De comparat cu lungimea de undă icircn

vizibil λ asymp 500 nm

Exemple de structuri periodice Pendry

15

Fig13

(a) Tije metalice (ε lt 0 pt E II z) (b) Inele icircntrerupte (micro lt 0 pt H II y)

Icircn ambele cazuri p ltlt l

Primele experimente au fost realizate cu metamaterial cu n lt 0 icircn

microunde (J B Pendry D R Smith Phys Today June 2004)

(a) Structura rezonantă inele icircntrerupte şi tije

metalice (sacircrme vizibile icircn spatele suporţilor

verticali)

(b) Banda spectrală pentru εr lt 0 şi micror lt 0

(c) Spectrul de putere transmisă numai tije

metalice verde numai inele icircntrerupte

albastru ambele roşu transmisie =

propagare

Fig14

Icircn topul descoperirilor pentru Nobel 2010 a fost şi cel oferit pentru

predicţia descoperirea şi dezvoltarea metamaterialelor negative - (Victor

Veselago John Pendry David Smith Xiang Zhang Sheldon Schultz Ulf

Leonhardt) Metamateriale sunt compuse

din componente mici cum ar fi inele mici si

tije Ele produc efecte optice noi

Refracţia negativă in microunde (J B

Pendry D R Smith Phys Today June

2004)

16

(a) Prismă cu n lt 0 simulare

(b) Prismă cu n gt 0 (teflon) simulare

(c) Experiment prismă metamaterial n lt 0

(d) Experiment prismă teflon

Fig15

Progrese icircn microunde prin realizarea unei

prisme din metamaterial pentru microunde

(Costas M Soukoulis este un distins profesor

de fizică al Iowa State University şi senior

fizician la Ames Laboratory Cartea sa

include Photonic Band Gap Materials and

Photonic Crystals and Light Localization in the Twenty-First Century

2006)

Acest cristal fotonic este o Lentilă Veselago-Pendry pentru

microunde cu indice de refactie n = -1 rezoluţie spaţială lt l (Fig16)

Sir John Brian Pendry este un fizician englez cunoscut pentru studiile

sale privind indicele de refracţie El a creat ldquopelerina invizibilităţiirdquo

(Invisibility Cloak) El este acum la catedra de fizică teoretică a stării

solide al Imperial College London Icircn 2006 primeşte Medalia Regală - The

Royal Medal of the Royal Society of London

Fig16

Astăzi s-au realizat metamateriale pentru

infraroşu şi vizibil domeniul optic fiind icircn

plină cercetare pentru realizarea invizibilităţii

17

Metamateriale sunt

bull materiale artificiale caracterizate de proprietăţi (electromagnetice)

care provin din structura acestora şi nu direct din proprietăţile

materialelor care le compun

bull Materiale prezintă anumite caracteristici structurale comparabile ca

dimensiune cu lungimea de undă a radiaţiei electromagnetice cu care

interacţionează

bull metamaterialele ldquostacircngirdquo (ldquoleft handed metamaterialrdquo ndash LHM) - nu

verifică regula măinii drepte astfel icircncacirct viteza de fază şi cea de grup

au sensuri diferite - permitivitatea electrică şi permeabilitatea

magnetică sunt negative

bull Materiale icircn care are loc refracţia negativă un fenomen anormal icircn

electromagnetism pentru care raza refractată este de aceeaşi parte ca

şi raza incidentă

bull Icircn realitate foarte străvechi pentru că le putem considera spre

exemplu sticlele colorate utilizate icircn vitraliile catedralelor

bull şi cristalele fotonice ( Fig17)

Fig17 piatra de opal a brăţării este un cristal fotonic

Ce este cristalul fotonic

Răspuns Cristalul fotonic este un mediu

dielectric periodic 1D 2D sau 3D avacircnd

periodicitatea de ordinul lungimii de undă

18

a undei electromagnetice realizat prin tehnologii de microprelucrare

Principala sa proprietate este structura de benzi fotonice Pentru o undă

monocromatica care se propagă icircntr-un cristal fotonic ideal va exista o

bandă de frecvenţă interzisă (bandgap) indiferent de direcţia undei şi

indiferent de starea de polarizare a undei Lord Rayleigh icircn 1887 a fost

primul care a arătat că se poate obţine o bandă interzisă sau band gap iar

temenul de laquo cristal fotonic raquo nu a fost introdus decacirct icircn 1987 odată cu

apariţia a două articole majore de Eli Yablonovitch şi Sajeev John Icircn

natură pe lacircngă cristalul de opal care are micro bile de siliciu repartizate

aproape uniform cristale fotonice se icircntacirclnesc şi icircn lumea animală la o

specie de vierme marin Afrodita şi la aripile fluturelui Cyanophrys remus ce

posedă o nano- arhitectură complexă la care culorile albastru metalic şi

verde sunt atribuite structurii de cristale fotonice Ele sunt compuse din

chitină şi aer iar aranjamentul formează o structură dielectrică periodică

Una dintre barierele existente icircn telecomunicaţii la ora actuală este

reprezentată de nodurile de procesare care conectează reţelele de fibră

optică noduri necesare pentru routarea informaţiilor La ora actuală nu

există o metoda ieftină şi eficientă ca acest proces sa fie unul icircn totalitate

optic transmisia optică trebuind să fie convertită icircn semnale electrice pentru

a fi procesată de echipamentele de routare după care la loc icircn semnale

optice pentru transmisia mai departe Acest lucru reprezintă o gacirctuire a

fluxului de date deoarece fibra optică poate transmite mult mai multă

informatie (şi mai rapid) decat firele de cupru Aceasta pentru că icircn fibra

optică transmisia este realizată pe lungimi

de undă diferite un fel de separare pe

culori De aceea ideea este de a realiza nişte

cristale fotonice (cu un exemplu de structură

19

ilustrată icircn imagine) care să separe aceste culori diferite de lumina albă şi să

le routeze icircntr-un mod eficient ( Fig18)

Fig18

5 Invizibilitatea

Pacircnă nu demult invizibilitatea ţinea de domeniul fantasticului Se

pare icircnsă că omul invizibil al lui Wells dar şi navele invizibile ale

klingonienilor din Star Trek sunt pe cale să coboare din literatura şi filmele

science-fiction icircn lumea reală Pelerina invizibilităţii este tot mai aproape

de realitate Cercetătorii au realizat două noi tipuri de materiale care reflectă

lumina icircn mod diferit ceea ce aduce mai aproape de realitate dispozitivul

supranumit pelerina invizibilităţii Unul dintre materiale foloseşte o plasă

din straturi metalice care reflectă icircn sens invers direcţia luminii icircn timp ce

20

al doilea foloseşte fire minuscule de argint Componenţa ambelor materiale

poate fi analizată la scară nanometrică Ambele creaţii ale oamenilor de

ştiinţă sunt metamateriale structuri realizate artificial care au proprietăţi ce

nu se icircntacirclnesc icircn natură cum ar fi indicele de refracţie negativ Două echipe

au lucrat separat la elaborarea materialelor

sub conducerea lui Xiang Zhang de la Centrul

de inginerie şi ştiinţă nanometrică din cadrul

Universităţii Berkley California Fiecare

dintre noile materiale are proprietăţi de

reflectare a luminii icircn valuri de lungime

limitată astfel icircncacirct nimeni nu le poate utiliza

pentru a ascunde clădiri de sateliţi a declarat

Jason Valentine membru al uneia dintre echipe De fapt nu ascundem

nimic Nu cred că trebuie să fim icircngrijoraţi de persoane invizibile care să

umble icircn jurul nostru icircn viitorul apropiat Să fiu cinstit suntem abia la

icircnceput icircn ceea ce priveşte cercetările privind invizibilitatea a spus

Valentine Echipa lui Valentine a realizat un material care influenţează

lumina din apropierea spectrului vizibil icircntr-o regiune folosită icircn cadrul

fibrelor optice Icircn materialele naturale indicele de refracţie care măsoară

modul icircn care lumina acţionează icircntr-un mediu este pozitiv a spus el

Atunci cacircnd vezi un peşte icircn apă acesta va apărea icircn faţa poziţiei icircn care se

află de fapt Dacă pui un băţ icircn apă acesta pare să se icircndoaie a precizat el

menţionacircnd că aceste iluzii sunt provocate de modul icircn care lumina se

refractă atunci cacircnd se mişcă icircntre apă şi aer

Icircnconjoară obiectul ce se doreşte invizibil cu un metamaterial (Fig19)care

să deformeze traseul razelor de lumină prin metamaterial ocolind obiectul

şi care să le recombine după obiect aşa cum erau icircnainte de obiect astfel

obiectul nu este vizibil

Fig19

21

Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de

pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns

profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific

cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991

de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru

Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors

niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru

Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea

Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul

timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al

bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20

Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici

au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale

cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că

obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci

cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a

spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi

mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu

are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric

vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un

obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a

acestuia

Foarte flexibil dar mai ales ldquoinvizibilrdquo Metaflex face parte din

categoria metamaterialelor capabile sa devieze traiectoria radiaţiilor făcacircnd

invizibile obiectele Metaflex a fost realizat de cercetătorul italian Andrea

22

Di Falco şi echipa lui de la Universitatea St Andrews din Scoţia Metaflex

constituie subiectul proiectului de cercetare icircn cadrul EPSRC( Engineering

and Physical Science Research Council) denumit bdquoMetaflex- materiale pe

straturi optice transparente flexibilerdquo avacircnd ca scop fabricarea

metamaterialelor icircn membrane foarte subţiri şi flexibile După cum au

explicat oamenii de ştiinţă icircntr-un articol publicat icircn New Journal of

Physics incredibila elasticitate a materialului permite imaginarea unor

aplicaţii SF precum hainele icircn măsura să-l facă pe cel care le poartă

invizibil Găsirea unei modalităţi de a ascunde obiecte de lumina vizibilă

este o veche idee fixă de-a oamenilor de ştiinţă Primele succese icircn acest

sens au fost reprezentate de crearea unor materiale cu caracteristici electrice

şi magnetice speciale Aceste metamateriale care au proprietăţile datorită

structurii geometrice a atomilor sunt icircn măsură să facă să treacă o radiaţie

electromagnetică icircn jurul unui obiect Astfel obiectul devine invizibil

deoarece eludează incidenţa şi reflexia radiaţiei Pacircnă astăzi cercetătorii au

reuşit să creeze materiale invizibile la microunde şi raze infraroşii dar nu şi

la lumina vizibilă Dificultatea de a face un obiect transparent la radiaţia

luminoasă stă icircn faptul că trebuie lucrat pe geometrii infinit de mici

capabile să interacţioneze cu lumina care are o lungime de undă de ordinul

a doar cacircteva sute de nanometri Odată depaşită această dificultate

cercetătorii s-au văzut nevoiţi să icircnfrunte o alta proiectarea unui meta-

material care sa nu fie rigid ci flexibil astfel icircncacirct să poată fi utilizat pentru

fabricarea obiectelor elastice Echipa lui Di Falco a reuşit să depăşească şi

acest ultim obstacol obţinacircnd un pătrăţel de cacircţiva centimetri pătraţi şi o

grosime de 4 micrometri care face obiectele transparente la lumina

portocalie Mai rămacircne de văzut dacă aceste caracteristici ale materialului se

modifică atunci cacircnd este icircndoit sau rămacircn neschimbate icircn primul caz

invenţia va deschide calea realizării unei noi clase de lentile icircn al doilea

punerii la punct a unei adevărate pelerine a invizibilităţii Flexibilitatea

23

metaflexului permite proiectarea şi fabricarea unui sistem de camuflaj

deoarece materialul se poate adapta mediului icircnconjurător

Icircn cadrul studiului lor un grup de cercetători germani si englezi

coordonaţi de Tolga Ergin şi Nicolas Stenger de la Institutul de Tehnologie

din Karlsruhe au utilizat mantaua tridimensională pentru a face invizibilă o

protuberanţă de pe o suprafaţă de aur Mantaua este compusă din lentile

speciale asamblate icircntr-o structură polimerică lentile a căror caracteristică

este aceea de a se lega parţial de undele luminoase astfel icircncacirct să icircmpiedice

lumina să se difuzeze Toate structurile de acest gen realizate pacircnă icircn

prezent sunt bidimensionale dar ulterior a demonstrat că poate funcţiona şi

icircn 3D a precizat Ergin Aşa-numitele materiale ale invizibilităţii sunt

nanomateriale cu dimensiuni de ordinul milionimilor de metru Sunt

capabile sa devieze undele luminoase orientacircndu-le icircn jurul unui obiect

pacircnă cacircnd icircl icircnfăşoară ca o găoace aceasta comportacircndu-se de fapt ca o

manta a invizibilităţii

Obiectele pot fi făcute să pară invizibile lungimilor mari de undă

precum cele utilizate de radare dar nu şi acelora mai mici caracteristice

luminii Oamenii de ştiinţă speră să creeze materiale capabile să forţeze

circularea pe lacircngă un obiect a luminii astfel icircncacirct să icircl mascheze icircn faţa

ochiului uman şi să icircl facă practic invizibil Suprafeţele vor putea fi astfel

determinate să manipuleze toate formele de radiaţie cum ar fi lumina

microundele sau radiaţia

terahertziană conducacircnd la potenţiale

aplicaţii icircn medicină securitate şi

comunicaţii Echipele de cercetare

24

sunt coordonate de profesorul Sir John Pendry o autoritate de talie

mondiala icircn fizică de la ICL care a propus pentru prima oară icircn anul 2006

şi de către profesorul Ştefan Maier un vacircrf de lance icircn domeniul

plasmonicii sau tehnologiei undelor electromagnetice

Fig21 Exemplu de camuflaj vizibil Bombardier Stealth (SUA) ndash negru

(absorbant) icircn microunde şi vizibil

6 Bibliografie

Metaflex-mirajul invizibilităţii Revista Evrika nr12 decembrie 2010

George Nemeş Materiale cu indice de refracţie negativ (metamateriale)

Principii fizice si perspective 2005

G V Eleftheriades K G Balmain Negative-Refraction Metamaterials

Fundamental Principles and Applications Wiley Canada 2005

25

C Caloz T Itoh Electromagnetic Metamaterials Transmission Line

Theory and Microwave Applications Wiley Hoboken NJ 2006

Metaflex-primul material cu adevărat invizibil wwwdescoperăro

N Garcia and M Nieto-Vesperinas Phys Rev Lett 88 207403 (2002)

Sergiu Langa şi Ion Tighineanu UNIVERSITATEA TEHNICĂ A

MOLDOVEI FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE vol 1 nr 4 2000

httpwwwstandrewsacuk~ulfinvisibilityhtml

26

Doi oameni de ştiinţă dintre care unul de origine romacircnă au descoperit mecanismul care face ca un obiect să devină invizibil şi au făcut publice rezultatele cercetării lor spre icircncacircntarea şcenariştilor care află că omul invizibil nu va mai fi icircn curacircnd un concept SF informează The Telegraph Profesorul Nicolae-Alexandru Nicorovici de la Universitatea din Sydney - un cercetător care a plecat din Romacircnia după 1989- şi Graeme Milton de la Universitatea din Utah au publicat rezultatele muncii lor icircn Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences Faptul ca un obiect poate deveni invizibil cu ajutorul unui dispozitiv a fost icircntotdeauna privit ca o idee ce aparţine de domeniul science fiction a declarat profesorul Milton

Icircn timp ce icircn Romacircnia căra cu spinarea condensatori şi rezistenţe de pe tot cuprinsul patriei icircn Australia Nicolae-Alexandru Nicorovici a ajuns profesor la Universitatea Tehnică din Sydney şi un cercetător ştiinţific cunoscut acum icircn icircntreaga lume Din 1991 de cacircnd a emigrat Nicolae-Alexandru Nicorovici (foto20) nu s-a mai icircntors niciodată icircn Romacircnia Nicolae-Alexandru Nicorovici s-a născut icircn 1944 la Buftea Tatăl său Petru Nikorowicz a fost fiul timişorencei Barbara-Elisabeta Bacher şi al bucovineanului Sigismund Nikorowicz foto20

Graeme Milton de la Universitatea din Utah icircmpreună cu Nicorovici au descoperit cum pot deveni invizibile obiectele cu ajutorul unor materiale cu proprietăţi optice ciudate Realizarea acestor superlentile a arătat că obiectele plasate lacircngă aceste lentile devin icircntr-adevar invizibile Atunci cacircnd un obiect este situat icircn raza de lumină a unei singure culori a spectrului lumina aceasta este captată lacircngă lentilă şi aproape icircn acelaşi mod anulează lumina incidentă de pe fiecare moleculă a obiectului deci nu are nici o replică la lumina incidenta Din punct de vedere numeric vedem că molecula este invizibilă a declarat profesorul Milton Privind un obiect printr-o superlentilă oamenii vor vedea doar partea din spate a acestuia

CUPRINS

1Introducerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

2Refracţia pozitivăhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5

3Refracţia negativăhelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9

4Metamaterialehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12

5 Invizibilitateahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21

6 Bibliografiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26

2

1 Introducere






ştiinţă


















3




acum























4
























5







Fig3 Fig4


















6













Fig6
















7







8











Fig7









următoarele




9






























10

















Fig10

11

4 Metamateriale









Fig11











12

























13





























14




















15

Fig13







verticali)





propagare

Fig14









2004)

16





Fig15








2006)








Fig16




17

Metamateriale sunt






interacţionează







şi raza incidentă









18




























19



Fig18

5 Invizibilitatea









20





























Fig19

21






















acestuia




22






























23


























24







6 Bibliografie






25








26




1 Introducere






ştiinţă


















3




acum























4
























5







Fig3 Fig4


















6













Fig6
















7







8











Fig7









următoarele




9






























10

















Fig10

11

4 Metamateriale









Fig11











12

























13





























14




















15

Fig13







verticali)





propagare

Fig14









2004)

16





Fig15








2006)








Fig16




17

Metamateriale sunt






interacţionează







şi raza incidentă









18




























19



Fig18

5 Invizibilitatea









20





























Fig19

21






















acestuia




22






























23


























24







6 Bibliografie






25








26







acum























4
























5







Fig3 Fig4


















6













Fig6
















7







8











Fig7









următoarele




9






























10

















Fig10

11

4 Metamateriale









Fig11











12

























13





























14




















15

Fig13







verticali)





propagare

Fig14









2004)

16





Fig15








2006)








Fig16




17

Metamateriale sunt






interacţionează







şi raza incidentă









18




























19



Fig18

5 Invizibilitatea









20





























Fig19

21






















acestuia




22






























23


























24







6 Bibliografie






25








26



























5







Fig3 Fig4


















6













Fig6
















7







8











Fig7









următoarele




9






























10

















Fig10

11

4 Metamateriale









Fig11











12

























13





























14




















15

Fig13







verticali)





propagare

Fig14









2004)

16





Fig15








2006)








Fig16




17

Metamateriale sunt






interacţionează







şi raza incidentă









18




























19



Fig18

5 Invizibilitatea









20





























Fig19

21






















acestuia




22






























23


























24







6 Bibliografie






25








26










Fig3 Fig4


















6













Fig6
















7







8











Fig7









următoarele




9






























10

















Fig10

11

4 Metamateriale









Fig11











12

























13





























14




















15

Fig13







verticali)





propagare

Fig14









2004)

16





Fig15








2006)








Fig16




17

Metamateriale sunt






interacţionează







şi raza incidentă









18




























19



Fig18

5 Invizibilitatea









20





























Fig19

21






















acestuia




22






























23


























24







6 Bibliografie






25








26
















Fig6
















7







8











Fig7









următoarele




9






























10

















Fig10

11

4 Metamateriale









Fig11











12

























13





























14




















15

Fig13







verticali)





propagare

Fig14









2004)

16





Fig15








2006)








Fig16




17

Metamateriale sunt






interacţionează







şi raza incidentă









18




























19



Fig18

5 Invizibilitatea









20





























Fig19

21






















acestuia




22






























23


























24







6 Bibliografie






25








26










8











Fig7









următoarele




9






























10

















Fig10

11

4 Metamateriale









Fig11











12

























13





























14




















15

Fig13







verticali)





propagare

Fig14









2004)

16





Fig15








2006)








Fig16




17

Metamateriale sunt






interacţionează







şi raza incidentă









18




























19



Fig18

5 Invizibilitatea









20





























Fig19

21






















acestuia




22






























23


























24







6 Bibliografie






25








26














Fig7









următoarele




9






























10

















Fig10

11

4 Metamateriale









Fig11











12

























13





























14




















15

Fig13







verticali)





propagare

Fig14









2004)

16





Fig15








2006)








Fig16




17

Metamateriale sunt






interacţionează







şi raza incidentă









18




























19



Fig18

5 Invizibilitatea









20





























Fig19

21






















acestuia




22






























23


























24







6 Bibliografie






25








26

































10

















Fig10

11

4 Metamateriale









Fig11











12

























13





























14




















15

Fig13







verticali)





propagare

Fig14









2004)

16





Fig15








2006)








Fig16




17

Metamateriale sunt






interacţionează







şi raza incidentă









18




























19



Fig18

5 Invizibilitatea









20





























Fig19

21






















acestuia




22






























23


























24







6 Bibliografie






25








26



















Fig10

11

4 Metamateriale









Fig11











12

























13





























14




















15

Fig13







verticali)





propagare

Fig14









2004)

16





Fig15








2006)








Fig16




17

Metamateriale sunt






interacţionează







şi raza incidentă









18




























19



Fig18

5 Invizibilitatea









20





























Fig19

21






















acestuia




22






























23


























24







6 Bibliografie






25








26




4 Metamateriale









Fig11











12

























13





























14




















15

Fig13







verticali)





propagare

Fig14









2004)

16





Fig15








2006)








Fig16




17

Metamateriale sunt






interacţionează







şi raza incidentă









18




























19



Fig18

5 Invizibilitatea









20





























Fig19

21






















acestuia




22






























23


























24







6 Bibliografie






25








26




























13





























14




















15

Fig13







verticali)





propagare

Fig14









2004)

16





Fig15








2006)








Fig16




17

Metamateriale sunt






interacţionează







şi raza incidentă









18




























19



Fig18

5 Invizibilitatea









20





























Fig19

21






















acestuia




22






























23


























24







6 Bibliografie






25








26































14




















15

Fig13







verticali)





propagare

Fig14









2004)

16





Fig15








2006)








Fig16




17

Metamateriale sunt






interacţionează







şi raza incidentă









18




























19



Fig18

5 Invizibilitatea









20





























Fig19

21






















acestuia




22






























23


























24







6 Bibliografie






25








26























15

Fig13







verticali)





propagare

Fig14









2004)

16





Fig15








2006)








Fig16




17

Metamateriale sunt






interacţionează







şi raza incidentă









18




























19



Fig18

5 Invizibilitatea









20





























Fig19

21






















acestuia




22






























23


























24







6 Bibliografie






25








26




Fig13







verticali)





propagare

Fig14









2004)

16





Fig15








2006)








Fig16




17

Metamateriale sunt






interacţionează







şi raza incidentă









18




























19



Fig18

5 Invizibilitatea









20





























Fig19

21






















acestuia




22






























23


























24







6 Bibliografie






25








26








Fig15








2006)








Fig16




17

Metamateriale sunt






interacţionează







şi raza incidentă









18




























19



Fig18

5 Invizibilitatea









20





























Fig19

21






















acestuia




22






























23


























24







6 Bibliografie






25








26




Metamateriale sunt






interacţionează







şi raza incidentă









18




























19



Fig18

5 Invizibilitatea









20





























Fig19

21






















acestuia




22






























23


























24







6 Bibliografie






25








26































19



Fig18

5 Invizibilitatea









20





























Fig19

21






















acestuia




22






























23


























24







6 Bibliografie






25








26






Fig18

5 Invizibilitatea









20





























Fig19

21






















acestuia




22






























23


























24







6 Bibliografie






25








26
































Fig19

21






















acestuia




22






























23


























24







6 Bibliografie






25








26

























acestuia




22






























23


























24







6 Bibliografie






25








26

































23


























24







6 Bibliografie






25








26





























24







6 Bibliografie






25








26










6 Bibliografie






25








26











26




Refractia negativa

Documents

Transcript of Refractia negativa