Manipulując światłem – metamateriały optyczne (i nie tylko) – ciąg dalszy

Światło.Zjawisko, dzięki któremu widzimy.Jak wiemy z lekcji fizyki, polega na ruchu falowym fotonów.Zależnie od długości fali mamy różne barwy i różne światło:

Barwy obiektów, które nas otaczają wynikają głównie z tego,że niektóre długości fali zostają odbite,a inne pochłonięte przez przedmioty.  Na przykład, rośliny odbijają światło zielone i dlatego są zielone.Napiszę coś brutalniejszego (zwłaszcza dla kobiet i małych dziewczynek,tudzież homoseksualistów)  – kolor różowy tak naprawdę fizycznie nie istnieje.Serio.To po prostu nasza percepcja braku światła zielonego i nic więcej. Jest o tym napisane choćby na stronie geekweek. Ponadto, wynikają stąd bardzo użyteczne rzeczy.

Barwa czarna pochłania wszelkie światło.Ta właściwość sprawia,że w fizyce istnieje twór idealny, zwany ciałem doskonale czarnym.  Jest ono ważnym modelem m.in. w termodynamice. Ostatnio jak donosi giznet brytyjska firma Surrey NanoSystem opracowała, na bazie nanorurek węglowych nowy materiał Vantablack, pochłaniający aż 99,965% docierającego doń światła.  Co ważne światło przenosi energię.Ma to określone konsekwencje – czarny ubiór nie jest zbyt praktyczny w dzień,jak ktoś kiedyś zatem (może przesadnie ale nie za bardzo) stwierdził Darth Vader mógłby szybko wyparować. Z kolei negatyw koloru czarnego czyli kolor biały odbija większość światła,stąd latem białe czapki,kapelusze, czy podkoszulki w czasie upałów są nieocenione.

Od czego zależy jednak odbicie i pochłanianie światła ?

Opisuje je prawo Snelliusa znane także jako prawo Snella.

Można je zapisać bardzo prosto następująco:

gdzie:

n1 – współczynnik załamania światła ośrodka pierwszego, n2 – współczynnik załamania światła ośrodka drugiego, n21 – względny współczynnik załamania światła ośrodka drugiego względem pierwszego,θ1 – kąt padania, kąt między promieniem padającym a normalną do powierzchni granicznej ośrodków,θ2 – kąt załamania, kąt między promieniem załamanym a normalną.
Rysunek pomocniczy:

Prawo to opiera się na współczynniku załamania światła n21 i jak widać na podstawie tej postaci prawa współczynnik załamania w zasadzie nie powinien być ujemny.No dobrze.Ale to ma ważne konsekwencje dla optyki i nie tylko,ponieważ rozdzielczość soczewki jest ograniczona przez dyfrakcję,a ponadto nie ma sposobu przy takich założeniach stworzyć „czapki niewidki” przy której światło po prostu omijałoby dany obiekt – można by, co najwyżej, obwiesić się kamerami i projektorami ,generującymi mnóstwo ciepła i potrzebującymi mnóstwo energii. Tak samo, przy takim założeniu w optyce nie ma szans na zejście poniżej pewnej skali,co za tym idzie techniki takie jak litografia optyczna,mikroskopia itd. napotykały na znaczne ograniczenie.

Jednak ujemny współczynnik załamania światła może zaistnieć,ponieważ współczynnik załamania wynika z 2 wartości εr i μr  czyli:

εr – względnej przenikalności elektrycznej ośrodka , μr – względnej przenikalności magnetycznej.

 

I one mogą być ujemne,co w efekcie, w rachunkach fizyków daje ujemną wartość. Dzięki temu,wykorzystując ujemny współczynnik załamania światła funkcjonują właśnie optyczne metamateriały,a bajkowa „czapka niewidka” leży w zasięgu ludzkich możliwości. Wykonanie metamateriałów optycznych wymaga jednak nanotechnologii i zejścia do skali poniżej 250 nm.

Wracając jednak do manipulacji światłem.Również materiały takie jak Ventablack są interesujące,ponieważ faktycznie brak konturów i odbitego światła utrudnia jakąkolwiek obserwację. Ludzki wzrok też jest omylny. I ograniczony do bardzo niewielkiego zakresu fal jakim jest światło widzialne, które, jak widać, obejmuje tylko bardzo wąską część promieniowania elektromagnetycznego:

Poprzez wykorzystanie elektroniki możemy jednak zobaczyć promieniowanie UV czy podczerwone lub wzmacniać światło stosując noktowizory.

Reklamy

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Google+

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s