Student World

Vývoj těchto technik je provázán s řadou dalších oborů a aplikací, od nanotechnologie přes spotřební elektroniku či vývoj procesorů nové generace, to vše ve spojení s armádním výzkumem i poměrně znepokojivými ukázkami toho, že svět nemusí fungovat jen tak, jak si představuje „selský rozum“.

Médii tu a tam proběhnou zprávy, že vědcům se podařilo postoupit ve snaze o dosažení neviditelnosti zase další krok. V jaké fázi se ale tyto projekty opravdu nacházejí, jaká je fyzikální podstata příslušných technologií a k čemu by to všechno mohlo být dobré?

Překvapivá možnost

Všemožných plášťů či prstenů neviditelnosti je plná mytologie i současný žánr fantasy, nejkřiklavějšími příklady jsou asi Pán prstenů a Harry Potter. Od H. G. Wellse a jeho románu Neviditelný si tento jev našel cestu také do sci-fi literatury a od té doby se objevují pokusy vymyslet, jak by neviditelnost mohla fungovat i „fyzikálně“. Samozřejmě, že tato snaha byla zpočátku vágní a ve skutečnosti nic nevysvětlující – například pomocí odkazů na nějaké „čtvrté rozměry“.

Cesta ke skutečné neviditelnosti začala poměrně paradoxně. Ruský fyzik Viktor Veselago si v 60. letech 20. století všiml, že Maxwellovy rovnice popisující šíření elektromagnetických vln umožňují řešení se záporným indexem lomu. Tato řešení se dlouho pokládala za pouhou matematickou kuriozitu, jíž v realitě fyzikálně nic neodpovídá. Veselago se původně neviditelností vůbec nezabýval. Fakt, že se látky se záporným indexem lomu podařilo zkonstruovat, vyvolává pak určitě zvláštní pocit – jako by matematický popis nebyl jen modelem reality, ale současně realitu i sám určoval.

Metamateriály

Klíčovým pojmem technik pro dosažení neviditelnosti jsou tzv. metamateriály, látky, které opravdu mají záporný index lomu. Jak si to představit? Fyzik Jason Valentine z University of California v Berkeley zřejmě jako první použil přirovnání, které zhruba řešeno říká toto: Hůl ponořená do vody se jakoby láme od pozorovatele. Ryba ve vodě se zdá být dál, než je ve skutečnosti. U látek (respektive spíše struktur, viz dále) se záporným indexem lomu by se hůl lámala směrem k nám a ryba by k nám byla blíže – ba mohla by být pro náš zrak až nad hladinou vody (respektive metamateriálu). Taktéž ponoření tyče by působilo dojmem, že namísto toho vykoukla ven. Tohle vše přitom funguje v zásadě v „normálním makrosvětě“, ne v exotických podmínkách na úrovni kvantové fyziky nebo někde v černé díře: I svět lidských měřítek může být prostě překvapivý.

Materiály se záporným indexem lomu se proto celkem pochopitelně dlouho pokládaly za fyzikální nemožnost. Mají i jiné nezvyklé vlastnosti, například zápornou magnetickou permitivitu a permeabilitu a rovněž tak záporný Dopplerův posun. (Dopplerův jev popisuje posun frekvence a vlnové délky kmitání či vlnění v závislosti na směru pohybu zdroje k pozorovateli. Houkání přijíždějícího a odjíždějícího vlaku má různou výšku – přibližující se vlak zaznamenáme jako vyšší.)

Jak to ale souvisí s neviditelností? Snad stojí za to začít u látek průhledných. Průhlednost znamená, že světlo může látkou procházet a neodráží se zpět. Průhledné mohou být plyny a kapaliny, jejichž atomy či molekuly jsou relativně daleko od sebe. U pevných látek mohou být průhledné krystaly, kdy je uspořádání atomů tak pravidelné, že mezi nimi z pohledu světelného paprsku vznikají „kanálky“. Stejné optické vlastnosti kupodivu mohou mít i pevné nekrystalické látky, např. sklo – ty ale zase proto, že tyto tzv. amorfní látky sdílí mnoho vlastností s kapalinami.

Základem průhlednosti metamateriálů je úplně jiný mechanismus – něco jako obtékání. Pokud světelné vlny obtečou předmět podobně, jako se vlny na řece stáčejí kolem kamenu, a dál budou pokračovat původním směrem, bude světelný paprsek propojovat lidské oko s předměty, které jsou „striktně geometricky“ zakryté. Právě takto se samotný obtékaný předmět stane fakticky neviditelným. (V zásadě nás při tom ani moc nezajímá, jak se chovají vlny jdoucí od pozorovatele k předmětu – pokud se nedorážejí; chceme-li docílit iluzi neviditelnosti, potřebujeme, aby příslušný předmět „obepluly“ vlny mířící z pozadí do oka pozorovatele.) Záporný index lomu odpovídá právě tomuto „stáčení“ vln světla. Metamateriály se pak proto dají použít jako obdoba pláště neviditelnosti, do nichž zabalíme ukrývaný předmět.

V přírodě podle všeho neexistuje vůbec nic, co by se svými vlastnostmi metamateriálům byť jen blížilo. Mnoho technických aplikací se v poslední době snaží najít nějakou inspiraci ve světě přírody, existují evoluční algoritmy či genetické programování, metamateriály naopak rozhodně ukazují, že v lidských možnostech je i vymyslet a sestrojit něco zcela nového.

Většina z metamateriálů má určité strukturní podobnosti (u původních například střídání kovů a izolantů), ale v zásadě je spojuje pouze funkčnost – požadovaná manipulace s indexem lomu. Struktura metamateriálů je složená z různě uspořádaných destiček a kanálků, ovšem konkrétní geometrické uspořádání i chemické složení jednotlivých komponent se případ od případu liší. Jeden z novějších metamateriálů je například tvořen vrstvou stříbra protkaného v oxidu hořečnatém a vrstvou (respektive spíše „sítí“) stříbrných nanovláken v porézním oxidu hlinitém. Další možný materiál představují kousky zlata zapuštěné do skla. Jako podklad pro kovové struktury lze použít i teflon nebo keramiku, zkoušejí se i různé kovové destičky s otvory zapuštěné do oxidů india a cínu.

Překážky neviditelnosti

Za otce reálných metamateriálů je považován fyzik John Pendry z Královské univerzity v Londýně. První zneviditelnění se podařilo roku 2006 výzkumníkům na Dukeově univerzitě v Durhamu v Severní Karolíně (tým vedl David Schurig): v mikrovlnném spektru dokázali zneviditelnit měděný váleček o velikosti řádově centimetrů. (Mimochodem, mikrovlnné spektrum používají právě radary. Současné neviditelné letouny dosahují potřebného efektu ale jinak: paprsek radaru se od letounu odrazí natolik rozptýleně a tak velká část záření je pohlcena speciálně upraveným povrchem, že radar nedokáže objekt rozpoznat jako letoun)

Technologie se od svého počátku potýkají se dvěma hlavními problémy. Jednak fungují primárně jen pro delší vlnové délky, za druhé v omezeném rozsahu spektra, nikoliv univerzálně. Mimo „účinný rozsah“ se metamateriál chová úplně běžným způsobem, tedy jako látka s kladným indexem lomu.

Omezení vyplývají z toho, že vnitřní struktury (síťování) metamateriálu provádějící příslušná „kouzla“ musí totiž rozměrově odpovídat spektru, pro které mají vykazovat příslušné vlastnosti. Vlnová délka viditelného světla se pohybuje mezi 400 a 800 nanometry (u mikrovln jsou to jednotky cm). Chceme-li tedy docílit neviditelnost ve viditelné části spektra, je třeba se v konstrukci metamateriálu přiblížit téměř k manipulaci na úrovni jednotlivých atomů (téměř, ne úplně – velikost atomů je řádově v desetinách nm) a poskládat je na příslušná místa. Vývoj metamateriálů tedy přímo souvisí s pokrokem na poli nanotechnologií.

V této oblasti dochází ale k celkem překotnému vývoji, už v roce 2007 se například podařilo vytvořit metamateriál na horní hranici viditelného světla, v červené oblasti (okolo 780 nm). Tento projekt vedl Vladimir Shalaev z Purdue Univerzity.

Problém omezení na relativně malý účinný rozsah spektra prozatím přetrvává. Samozřejmě, že takto lze skrývat předměty před konkrétním detektorem (noční infravidění ve vojenských aplikacích apod.), je-li ale řeč o „neviditelnosti“, žádá se pokrýt celé viditelné spektrum. Možná, že nakonec bude neviditelný metamateriál muset být sestaven z vrstev, z nichž každá bude zneviditelňovat pro určitou oblast, půjde tedy o složitý „kabát“ s mnoha podšívkami. Spíše než plášť by takový materiál připomínal mnohovrstevnatý pancíř tanku.

První metamateriály měly také strukturu navrženou tak, že dokázaly patřičným způsobem manipulovat pouze se světlem dopadajícím v určitém směru. Při pohledu z boku byl už „neviditelný“ předmět naopak viditelný normálně. Vnitřní strukturu metamateriálu bude tedy bylo třeba modifikovat tak, aby se dosáhlo průhlednosti ze všech stran. Lze předpokládat spíše postupný pokrok, například rozšiřování úhlu, v němž bude struktura vykazovat příslušný účinek.

Nakonec, metamateriály fungují s různou účinností také v tom smyslu, že ne vždy dokáží zcela eliminovat odrazy a stíny.

…

Úplná verze tohoto článku právě vychází v CIO-BusinessWorld 5/2010. Toto číslo právě přichází na stánky.

autor Pavel Houser