Невидимка материал: Плащ-невидимка – как работает технология, где купить | Дропшиппинг

Содержание

Камуфляж-невидимка и цифровая ткань: 10 реальных материалов «из будущего»

Некоторые вещи, такие как волокна с памятью или пуленепробиваемая пленка, кажутся невозможными. Однако ученые работают над ними и вполне успешно. Рассказываем о десяти материалах будущего и о трендах в material science

⏰ Время на чтение: 9–11 минут

Material science — это наука, которая изучает материалы. Ученые ищут способы улучшить существующие материалы или разработать новые, исследуют их свойства и структуру. Открытия нередко поражают воображение даже самых преданных любителей фантастики.

«Броня» для транспорта

Ученые Пермского и Томского политехнических университетов совместно разработали сверхпрочный литой стеклокристаллический материал. В его основе — оксиды кремния, магния, алюминия, титана и марганца. При взрыве новый материал распределяет энергию по всей своей площади, поэтому он более устойчив к внешнему воздействию и высокой температуре. Схожие материалы, напротив, принимают удар в одной точке и из-за этого разрушаются. Ученые утверждают, что изделия из литого стеклокристаллического материала прослужат в 15 раз дольше, чем изготовленные из металла.

Структура литого стеклокристаллического материала (Фото: пресс-служба Пермского национального исследовательского политехнического университета)

У российского изобретения есть аналоги, но они содержат вредные и недешевые в производстве вещества. Для изготовления литого стеклокристаллического материала не требуются дефицитные, дорогостоящие и токсичные вещества. Из него можно делать ударопрочные корпуса для автомобилей и железнодорожного транспорта, а также тротуарную плитку, бордюры, фонтаны, украшения для фасадов.

Сплав для новых систем охлаждения

Ученые Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» в сотрудничестве с компанией LG Electronics создали новые высокотеплопроводные магниевые сплавы. Их главное преимущество — устойчивость к высоким температурам, поэтому материалы планируют использовать в системах охлаждения. Проблема аналогов в том, что они быстро нагреваются и даже загораются на солнце. Например, в 2018 году в Германии на заводе BMW случился пожар в мастерской, где находилось большое количество деталей из магниевых сплавов.

Образцы новых сплавов (Фото: НИТУ «МИСиС»)

Новый материал продлевает срок службы бытовой техники, электромобилей. В США, странах Евросоюза, Корее и Китае ученые запатентовали не только сплав, но и радиатор на его основе.

Иван Круглов, заведующий лабораторией компьютерного дизайна материалов в МФТИ:

«Высокотеплопроводные магниевые сплавы — один из удачных примеров, когда сначала компьютер исследовал свойства вариантов соединений Mg-Zn-Si-Ca, а потом ученые реализовали самые перспективные из них. Без помощи программ на создание этих материалов ушло бы в несколько раз больше времени».

Композит с возможностью регенерации

В научно-исследовательском институте космических и авиационных материалов (НИИКАМ) в городе Переславль-Залесский разработали новый композитный материал аристид. Он в десять раз легче промышленного алюминия и по прочности превосходит титан. Тонкая 3-миллиметровая пластина выдерживает выстрел в упор из пистолета среднего калибра. При этом повреждения от пули остаются только на поверхности материала. Аристид обладает свойством регенерации и самостоятельно восстанавливает небольшие повреждения. А еще он жаропрочный и переносит температуру до 1300 ℃. Для сравнения: огонь в камине разгорается максимум до 1200 ℃.

Аристид (Фото: fabricators.ru)

Разработчики утверждают, что аристид может заменить композитные материалы, которые используют при изготовлении деталей для космических кораблей, спутников, авиатехники. Также его можно применять в автомобильной промышленности, строительстве, производстве протезов и кардиостимуляторов.

Волокно для одежды со встроенной нейросетью

В Массачусетском технологическом университете (США) разработали первое в мире цифровое волокно — тонкую и гибкую нить, которая вшивается в любую ткань. Благодаря встроенной нейронной сети разработка умеет распознавать, хранить и анализировать информацию. Например, определять, какой физической активностью занят человек. Это доказали в ходе эксперимента: мужчина сидел, ходил и бегал в одежде с цифровым волокном, а в это время датчики анализировали изменения температуры тела и передавали данные на компьютер. Разработка смогла с точностью до 96% определить, какое действие выполняет человек. Принцип работы новинки можно сравнить со смарт-часами, которые знают, что вы начали движение, с какой скоростью идете и сколько сделали шагов.

Цифровое волокно, вшитое в ткань (Фото: Рони Кнаани)

В планах ученых — изготавливать вещи с цифровым волокном для массового потребления.

Такая одежда не чувствуется на теле, а стирать ее можно до десяти раз. Пока человек носит изделие, оно измеряет пульс, температуру. Разработчики утверждают, что в перспективе технология может хранить в одежде и музыку, ведь они уже смогли записать на волокно 30-секундное аудио весом 0,48 мегабайта.

Бесконечно перерабатываемый пластик

Согласно исследованию Агентства по охране окружающей среды США, в Америке только 12% пластмассы перерабатывается более одного раза. Большинство ее видов не подлежит повторному использованию. В 2019 году американские ученые создали новый пластик полидикетоенамин (ПДК), который можно перерабатывать бесконечно. ПДК без вреда качеству «разбирают» на молекулярном уровне и собирают в другую форму с новой текстурой или цветом. Ученые даже спроектировали компьютерную модель оборудования для производства и обработки материала. На ее основе можно сделать реальную установку.

Новый пластик легко разрушается, когда его помещают в специальный раствор (Фото: Питер Кристенсен / Berkeley Lab)

Полидикетоенамин может заменить пластмассу, которую используют в производстве бытовых предметов, машин, изделий для строительства и медицины. По планам ученых новый материал поможет очистить окружающую среду от мусора.

«Ткань» для плаща человека-невидимки

Канадская компания HyperStealth Biotechnology разработала технологию квантовой невидимости. Сквозь новый материал, как через стекло, видно почти все, что располагается за ним. Однако лучи света, попадая в микроскопические линзы, рассеиваются, и всё, что находится на определенном расстоянии позади материала — будь то люди или предметы, становятся неразличимыми. Материал похож на тонкий пластик, но его точные характеристики компания пока не раскрывает.

«Квантовая невидимость» в действии

Разработчики запатентовали 13 видов материала разной формы и назначения. Одни могут скрывать человека, другие — здания, третьи — транспорт, космическую и военную технику, корабли. На основе нового материала получится создавать камуфляж для военных и полиции, а в будущем — и для массового потребления.

Пленка для очков вместо приборов ночного видения

Ученые из Австралийского национального университета разработали сверхтонкую пленку, которая состоит из микроскопических кристаллов и делает инфракрасное излучение видимым для человеческого глаза. Материал недорогой и простой в изготовлении.

Очки со сверхтонкой пленкой ночного видения (Фото: Джейми Кидстон / Австралийский национальный университет)

Планируется, что разработку будут применять в службах безопасности и вооруженных силах. Сейчас там используют громоздкие приспособления для ночного видения, которые могут вызывать боли в шее. Новая сверхтонкая пленка крепится на обычные очки — она удобнее и облегчает работу в темноте. В будущем возможно массовое использование новинки: например, пленка пригодится для управления машиной в плохо освещенных местах.

Металл против болгарки и дрели

Немецкие физики создали материал Proteus, который невозможно разрезать. Он прочнее стали и в семь раз легче нее. При разработке ученые вдохновлялись природой — раковиной морских улиток и кожурой грейпфрутов. Оказалось, что их структура состоит из переплетений мягких и плотных элементов. Физики повторили этот принцип в своей разработке и получили материал, который похож на желе и заполнен множеством твердых керамических кусочков.

Ученые предполагают, что изобретение будут использовать для изготовления сейфов и защитного снаряжении против холодного оружия и для работы с режущими инструментами. Ведь если попробовать разрезать Proteus болгаркой или дрелью, то он разрушит диск и сверло. Так получается, потому что материал вызывает боковые вибрации внутри режущих граней. В эксперименте блок толщиной 4 см за минуту привел в негодность диск болгарки.

Звукоизолятор, способный сделать самолеты тихими

В британском Университете Бата разработали самый легкий звукопоглощающий материал. Сделан он из жидкого оксида графена и спирта. Изобретение похоже на соты, только внутри не мед, а плотная материя со множеством воздушных пузырьков. Профессор Микеле Мео, который возглавляет команду разработчиков, поясняет: «Метод получения материала можно сравнить со взбиванием яичных белков для создания безе.

То есть звукоизолятор крепкий, но содержит много воздуха».

Самый легкий звукоизолятор в мире (Фото: Университет Бата)

Разработку планируют использовать в авиатехнике: она очень легкая и способна снизить уровень шума двигателей самолета. По словам ученых, авиалайнеры могут стать почти такими же тихими, как новые автомобили. Пока что материал плохо рассеивает тепло, поэтому есть риск перегрева. Ученые проводят дополнительные исследования, чтобы решить эту проблему. Также специалисты хотят найти и другие полезные свойства. Например, огнестойкость или способность защищать от электромагнитных волн.

Золото со свойствами пластмассы

В Швейцарии разработали золото, плотность которого в десять раз меньше обычного: 1,7 г/см3 по отношению к 15 г/см3. По свойствам материал напоминает пластмассу, но химический состав такой же, как у природного металла. Изделие из него не получится сломать голыми руками или разбить, даже если уронить с большой высоты.

В «пластмассовом» золоте содержится множество воздушных карманов, невидимых глазу, поэтому оно такое легкое.

«Пластмассовое» золото (Фото: Питер Рюэгг / Швейцарская высшая техническая школа Цюриха)

Изобретение поможет уменьшить вес корпуса часов, также его предполагают использовать в производстве ювелирных украшений, электронике, атомной и химической промышленности. По желанию заказчика у модифицированного золота можно менять плотность, мягкость и цвет.

Куда движется material science

Иван Круглов, заведующий лабораторией компьютерного дизайна материалов в МФТИ:

«Раньше ученым приходилось методом проб и ошибок разрабатывать новые материалы и изучать их свойства. При этом все ограничивалось профессионализмом специалиста. То есть если он не знает про устойчивость медных проводов к вибрациям, то не поймет, что их можно использовать в транспорте.

Такой подход называется экспериментальным.

В 2021 году набирает популярность другой подход — компьютерные методы. Это значит, что специальные программы ищут новые материалы и предсказывают, например, как поведет себя сплав при высокой температуре или насколько прочным будет новый вид пластика. Чаще всего этот способ используют для поиска сверхпроводников (они при низкой температуре теряют электрическое сопротивление) и термоэлектриков (веществ, которые образуют электроток при разности температур). Благодаря технологиям удалось ускорить процесс поиска различных материалов, а значит и в других производственных и научных сферах ожидается более быстрое развитие.

В российской сфере material science делают упор на разработку:

новых сверхтвердых материалов;
составов сталей с улучшенными свойствами;
полимерных композиционных веществ, то есть тех, которые состоят из нескольких компонентов;
конструкционных и функциональных материалов — это детали машин, элементы сооружений и другие изделия, которые несут силовую нагрузку.

В 2021 году по этому направлению специально создали Центр НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества». Одна из перспективных разработок — обучение компьютеров поиску уникальных соединений для промышленности. Это возможно благодаря существующим базам данных веществ: программа анализирует их и предлагает собственные варианты с улучшенными свойствами».

Анатомия шапки-невидимки

Как обещает третий закон Кларка, любая достаточно развитая технология неотличима от магии. А значит, любые волшебные артефакты, с которыми мы встречались в сказках, фэнтези и других фантастических жанрах, могут оказаться высокотехнологическими устройствами, созданными учеными. В новом тексте серии «Это фантастика» мы обратили внимание на всевозможные шапки-невидимки, мантии невидимости и Кольца Всевластия, с завидной регулярностью встречающиеся в литературе и кино. Совместно с НИТУ «МИСиС» мы постараемся ответить на вопрос, как можно сделать интересующий нас объект невидимым, — с точки зрения науки, разумеется.

Прежде чем говорить о технологиях, давайте разберемся, а как вообще мы видим предметы? В первую очередь, ничего не получится без света — электромагнитного излучения. В абсолютно темной комнате мы не сможем ни увидеть предмет, ни распознать его цвет — в лучшем случае у нас получится его нащупать. Но даже если объект находится в освещенной комнате, это еще не значит, что мы его обязательно увидим, — всем известно, как легко не заметить огромную стеклянную стену, стоящую перед нами. Ведь все, что видит наш глаз, — это свет, «испущенный», или, точнее, рассеянный или отраженный предметами. Качественное чистое стекло практически не рассеивает и не отражает свет — поэтому мы с удовольствием смотрим в окно, не задерживаясь взглядом на стеклянной преграде.

Итак, увидеть предмет можно благодаря тому, что он искажает ход лучей и световое поле, которое его окружает. Следовательно, у нас может быть три возможных подхода к невидимости. Первый — это идеальная прозрачность, когда объект сам по себе почти не искажает пути лучей света. Второй — камуфляж, когда лучи, рассеянные на объекте, совпадают с теми лучами, которые мы ожидали бы увидеть в отсутствие предмета. Третий — когда некое устройство, например наша шапка-невидимка, сама преобразовывает ход лучей света так, чтобы оно казалось не измененным. Выглядит это примерно так:

Первые два примера невидимости часто встречаются в природе. К примеру, медузы в толще воды едва заметны из-за своей прозрачности, а активной и пассивной маскировкой пользуется огромное число видов — ящерицы, насекомые, рыбы и так далее. Однако два этих способа предполагают, что скрываемый объект изначально обладает какими-то определенными свойствами. Человека с помощью прозрачности скрыть не удастся, а маскировка ему поможет лишь отчасти.

Универсальным способом создания эффекта невидимости было бы устройство, которое «восстанавливает» световое поле и словно бы заставляет лучи света огибать предмет. Для этого нам необходимы материалы, позволяющие идеально контролировать распространение света.

Видимый свет — это одна из форм электромагнитного излучения, такого же как радиоволны и рентгеновские лучи, гамма-кванты или волны в микроволновке. Подобно тому, как мы умеем управлять радиоизлучением с помощью антенн, мы также можем изменять поведение света других диапазонов. Один из самых ярких примеров абсолютного контроля над излучением — метаматериалы с отрицательным коэффициентом преломления.

Возьмем любой естественный прозрачный материал, например стекло или кварц, и направим на его поверхность луч света. В точке, где луч пересечет поверхность, мы мысленно проведем прямую, перпендикулярную поверхности. Для обычных материалов всегда верно, что луч пересечет эту прямую и продолжит распространяться примерно в том же направлении, немного отклонившись. Если взять вместо обычного материала среду с отрицательным коэффициентом преломления, луч в этой среде продолжит двигаться в другом направлении, не пересекая перпендикуляра.

Такие материалы были предсказаны советским физиком Веселаго еще в 1960-х годах как некоторый курьез, который можно описать в рамках электродинамики Максвелла. В 2000 году физикам впервые показали, что среды с отрицательным коэффициентом преломления действительно существуют — однако реализовать их можно лишь в виде метаматериалов.

В отличие от классических материалов, свойства которых определяются в основном веществом, из которого они состоят, свойства метаматериалов определяются их геометрией. Иными словами, в метаматериале можно заменить один металл на другой и его свойства почти не изменятся. Это можно пояснить на примере среды с отрицательным коэффициентом преломления.

Чтобы добиться отрицательного преломления, необходимо, чтобы отрицательными были сразу два свойства материала — диэлектрическая проницаемость и магнитная восприимчивость. Этими свойствами управляют два разных элемента структуры метаматериала. Возьмем классический пример. Эта среда выглядит как периодический массив маленьких идентичных антенн-ячеек.

За отклик к электрической составляющей световой (электромагнитной) волны отвечает фрагмент непрерывного провода, тянущегося сквозь все ячейки. За отклик к магнитной компоненте света отвечает пара С-образных антенн, вложенных друг в друга. Все они по отдельности создают отрицательную проницаемость и восприимчивость в материале.

Однако такой материал работает лишь в очень узком диапазоне длин волн, который напрямую определяется размерами и формой антенн. Чем меньше размеры антенны, тем меньше и длина волны, для которой среда имеет отрицательный коэффициент преломления. Первые подобные материалы работали лишь в микроволновом диапазоне.

Вернемся к невидимости. Одного лишь создания среды с постоянным отрицательным коэффициентом преломления, очевидно, недостаточно для того, чтобы скрыть объект от постороннего глаза. В основополагающей работе, посвященной физике невидимости, определяются требования к материалу нашей гипотетической шапки-невидимки. Возьмем для простоты некую специальную сферу, окружающую скрываемый нами предмет. Коэффициент ее преломления должен контролироваться вдоль всей поверхности сферы — с возникновением градиента значений. Лишь тогда можно добиться того, чтобы лучи огибали интересующий нас объект. Для внешнего наблюдателя будет казаться, что лучи не встречают никакого препятствия — что в этой области пространства ничего нет.

Стоит заметить, что из-за волновой природы света даже метаматериалы не смогут замаскировать любой предмет идеально. Это связанно с утверждением, доказанным Адрианом Нахманом в 1988 году: измерив амплитуду и направления распространения лучей света (с помощью специального детектора), мы можем полностью восстановить пространственный профиль коэффициента преломления среды, через которую они прошли. Теорема допускает несколько дискретных положений детектора, при котором нам будет казаться, что маскируемый объект — бесконечно тонкая пластинка, но в остальных случаях шапка-невидимка будет давать сбой.

Однако это утверждение не запрещает «почти идеальной» невидимости. Можно добиться того, чтобы отличия световой картины от света, рассеивающегося на шапке-невидимке и на пустоте, были экспоненциально малы, незаметны из-за ограниченной точности геометрической оптики.

Впервые реализовать шапку-невидимку из метаматериала, работающую в микроволновом диапазоне, удалось в 2006 году физикам из Университета Дьюка. Она представляет собой набор из десяти вложенных цилиндров, каждый из которых состоит из одинаковых ячеек-антенн. Из-за различных радиусов кривизны цилиндров возникал градиент коэффициента преломления, который и заставлял свет огибать скрытый в центре предмет.

В 2012 году та же группа исследователей усовершенствовала подход к созданию микроволновой шапки-невидимки. Новое устройство имело ромбовидную форму и эффективно отклоняло от своего центра лучи, движущиеся вдоль определенного направления. Новая геометрия позволила значительно уменьшить отражение лучей от границы воздух-метаматериал, сделав «шапку» еще невидимее.

Перечисленные материалы обеспечивали эффекты невидимости для микроволнового диапазона — излучения с частотой около 10 гигагерц и длиной волны 3 сантиметра. Чтобы перейти к оптическим диапазонам (длины волн порядка сотен нанометров) необходимо масштабировать устройство — уменьшить размер ячеек в сто тысяч раз. Тогда отдельные антенны будут иметь характерные размеры порядка ста нанометров. Изготовить такие устройства можно лишь с помощью достаточно сложных методов нанолитографии и травления сфокусированным пучком электронов.

Первые устройства, работающие в оптических частотах, были предложены в 2009 году физиками из Корнельского университета и, независимо, коллективом ученых из Калифорнийского университета в Беркли. В обоих случаях «шапка-невидимка» представляла собой специальную среду с изменяющимся коэффициентом преломления. Эта среда скрывала за собой выпуклость на зеркале, за которой мог быть спрятан микроразмерный объект — удаленному наблюдателю зеркало казалось идеально гладким.

Физики из Корнельского университета создали метаматериал в виде «леса» из наноразмерных кремниевых шипов, градиент коэффициента преломления в котором создавался разреженностью вблизи дефекта на зеркале. Устройство работало в инфракрасном диапазоне (1,550 нанометра). Во второй работе для эффекта невидимости использовалась «обратная» среда — набор периодически расположенных пор вблизи зеркала. Это устройство также работало в инфракрасном диапазоне (1400–1800 нанометров).

Позднее, в 2011 году, группа физиков из США и Германии, при участии исследователей из Калифорнийского университета добилась создания «шапки-невидимки» во всем видимом диапазоне — от красного до синего света. Успешным оказался подход с периодически расположенными порами в нитриде кремния. Как и в предыдущей работе, материал эффективно скрывал выпуклость на зеркале, за которой можно было спрятать какой-либо объект.

Собственные разработки оптических метаматериалов ведутся, в частности, в НИТУ «МИСиС». За подробностями мы обратились к заведующему лабораторией «Сверхпроводящие метаматериалы», доктору физико-математических наук, заведующему кафедрой и лабораторией экспериментальной физики Технологического института Карлсруэ, руководителю группы «Сверхпроводящие квантовые цепи» в Российском квантовом центре Алексею Устинову и доценту лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» и кафедры Теоретической физики и квантовых технологий Алексею Башарину. Вот что они нам ответили:

N + 1: Как устроены оптические метаматериалы?

Метаматериалы состоят из искусственно созданных метаатомов, которые гораздо меньше длины волны (360–760 нанометров). Поэтому, если речь идет об оптических метаматериалах, размеры метаатомов должны быть порядка 100 нанометров и меньше. Это предъявляет особые требования к нанотехнологическим процессам. Из чего же состоят метаатомы? Это могут быть металлические или диэлектрические наночастицы различной формы (сферы, диски) и их модификации и более сложные конфигурации в виде спиралей, систем колец.

Насколько сложно создать материал, работающий в оптическом диапазоне электромагнитного излучения?

Поскольку мы говорим о нанотехнологиях, то все упирается в разрешение микроскопии и средства литографии. Важно также обеспечить повторяемость при изготовлении наночастиц. Второй важной особенностью является тот факт, что включения метаматериалов должны быть высокорезонансными. Это означает, что метаатомы сильно взаимодействуют с падающим на них излучением. Однако резонансные свойства ухудшаются из-за того, что металлы на оптических частотах сильно греются — это потери. А диэлектрические не имеют таких сильных резонансных свойств, как металлические.

Существуют ли технологии, позволяющие менять коэффициент преломления в конкретной области пространства?

Речь идет о так называемой трансформационной оптике. Если создать метаповерхность таким образом, что каждой точке пространства будет соответствовать свой метаатом, со своими спектральными свойствами, то можно менять направление распространения света под тем углом, какой нам нравится.

Как идет работа с метаматериалами в НИТУ «МИСиС»?

Направление метаматерилов в НИТУ «МИСиС» развивается в лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы», и также мы обучаем метаматериалам студентов на кафедре Теоретической физики и квантовых технологий. Есть несколько направлений, которыми мы занимаемся, это классические, сверхпроводящие и квантовые метаматериалы.

Мы выполняем как теоретические, экспериментальные, так и технологические исследования. Для этого у нас построена прекрасная лаборатория с современным оборудованием. Мы развиваем направления кубитов — элементов квантового компьютера, создаем невидимые покрытия, занимаемся исследованием таких экзотических явлений, как анаполь и различные прикладные аспекты для космоса.

Стоит заметить, что метаматериалы используют не только для разработки технологии невидимости. Идеальное управление волновым фронтом света позволяет создавать плоские линзы. Для этого антенны определенным образом смещают фазу падающего на линзу света — этого оказывается достаточно, чтобы пучок впоследствии сфокусировался в точку. Недавно физики показали, что такие линзы не хуже традиционных оптических приборов.

Владимир Королёв

Исследователи показывают новый способ создания полезных дефектов с помощью невидимых свойств материала

Исследователи из Иллинойса/IQUIST показывают новый способ создания полезных дефектов с помощью невидимых свойств материала. Предоставлено: Инженерный колледж Грейнджера при Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне.

Большая часть современных электронных и вычислительных технологий основана на одной идее: добавить химические примеси или дефекты в полупроводники, чтобы изменить их способность проводить электричество. Эти измененные материалы затем комбинируются различными способами для производства устройств, которые составляют основу для цифровых вычислений, транзисторов и диодов. Действительно, некоторые квантовые информационные технологии основаны на аналогичном принципе: добавление дефектов и определенных атомов в материалы может производить кубиты, фундаментальные единицы хранения информации квантовых вычислений.

Как сообщает его исследовательская группа в своей статье «Самоиндуцированное граничное состояние Дирака и оцифровка в нелинейной цепочке резонаторов», опубликованной в Physical Review Letters , метаматериал может самостоятельно изменять свою функциональность в зависимости от уровня мощности входа.

Метаматериал — это искусственная система, которая воспроизводит поведение реальных материалов, состоящих из природных атомов. Исследователи создали именно такой материал, поведение которого аналогично полупроводнику особого типа, называемому материалом Дирака. Он состоял из цепочки магнитно-механических резонаторов, где магнитные взаимодействия действовали как связи между атомами в одномерном кристалле. Когда любой из этих «атомов» подвергался механическому возбуждению, то есть заставлялся периодически двигаться, возбуждение распространялось на остальную часть кристалла, подобно электронам, инжектированным в полупроводник.

После демонстрации того, что полностью однородный метаматериал Дирака не пропускает механические возбуждения (точно так же, как электронам запрещено протекать через изолирующие полупроводники), исследователи ввели в систему определенный набор нелинейностей. Это новое свойство добавляло чувствительности к уровню механического возбуждения и могло тонко изменять резонансную энергию магнитомеханических атомов. При правильном выборе нелинейности исследователи наблюдали резкий переход от изолирующего к проводящему поведению в зависимости от того, насколько сильным был обеспечен вход.

Это интригующее поведение было результатом спонтанного появления новой границы, где эффективная масса механического возбуждения, невидимое внутреннее свойство дираковских материалов, меняла знак в зависимости от уровня возбуждения. Исследователи были удивлены, обнаружив, что эта граница сопровождалась новым состоянием, которое «появлялось» на границе и позволяло входной энергии передаваться через материал. Этот эффект был очень похож на то, как дефектный атом действует внутри полупроводника

«В фотонике и электронике, — сказал Бахл, — такие нелинейные свойства могут быть созданы для формирования основы новых вычислительных систем, которые не полагаются на традиционный полупроводниковый подход».

Всякий раз, когда мы добавляем дефектные состояния и специальные атомы, мы нарушаем однородность материала, что может привести к другим нежелательным эффектам. Однако материалы, в которых дефектное состояние может быть сформировано по запросу за счет невидимого свойства, такого как масса Дирака, используемая в этой работе, имеют серьезные последствия для квантовых информационных систем, где они обещают кубиты, которые можно производить динамически там, где они нужны. Следующая задача — найти или синтезировать реальные материалы на основе природных атомов, которые могут воспроизвести этот эффект.

Эксперименты были проведены аспирантом-физиком Гэнминг Лю в сотрудничестве с постдоком доктором Джихо Но и аспирантом MechSE Цзянином Чжао.

Дополнительная информация: Гэнминг Лю и др., Самоиндуцированное граничное состояние Дирака и оцифровка в нелинейной цепочке резонаторов, Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.135501

Предоставлено Инженерный колледж Грейнджера Иллинойсского университета

Цитата : Исследователи показывают новый способ создания полезных дефектов с помощью невидимых свойств материала (22 декабря 2022 г. ) получено 7 января 2023 г. с https://phys.org/news/2022-12-defects-invisible-material-properties.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

Исследователи показывают новый способ создания полезных дефектов с помощью невидимых свойств материалов — ScienceDaily

Science News

от исследовательских организаций

Дата:: 22 декабря 2022 г.
Источник:: Инженерный колледж Грейнджера Иллинойского университета
Резюме:: Большая часть современных электронных и вычислительных технологий основана на одной идее: добавить в полупроводники химические примеси или дефекты, чтобы изменить их способность проводить электричество. Эти измененные материалы затем комбинируются различными способами для производства устройств, которые составляют основу для цифровых вычислений, транзисторов и диодов. Действительно, некоторые квантовые информационные технологии основаны на аналогичном принципе: добавление дефектов и определенных атомов в материалы может производить кубиты, фундаментальные единицы хранения информации квантовых вычислений.
Поделиться:: Фейсбук Твиттер Пинтерест LinkedIN Электронная почта

ПОЛНАЯ ИСТОРИЯ

Многие современные электронные и вычислительные технологии основаны на одной идее: добавить в полупроводники химические примеси или дефекты, чтобы изменить их способность проводить электричество. Эти измененные материалы затем комбинируются различными способами для производства устройств, которые составляют основу для цифровых вычислений, транзисторов и диодов. Действительно, некоторые квантовые информационные технологии основаны на аналогичном принципе: добавление дефектов и определенных атомов в материалы может производить кубиты, фундаментальные единицы хранения информации квантовых вычислений.

Гаурав Бахл, профессор механики и инженерии в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейне и член Иллинойсского центра квантовых информационных наук и технологий, изучает, как специальные нелинейные свойства инженерных материалов могут достигать аналогичных функций. без необходимости добавления преднамеренных дефектов. Как сообщает его исследовательская группа в своей статье «Самоиндуцированное граничное состояние Дирака и оцифровка в нелинейной цепочке резонаторов», опубликованной в Physical Review Letters, метаматериал может самостоятельно изменять свою функциональность в зависимости от уровня мощности на входе.

Метаматериал — это искусственная система, которая воспроизводит поведение реальных материалов, состоящих из природных атомов. Исследователи создали материал, поведение которого аналогично полупроводнику особого типа, называемому материалом Дирака. Он состоял из цепочки магнитно-механических резонаторов, где магнитные взаимодействия действовали как связи между атомами в одномерном кристалле. Когда любой из этих «атомов» подвергался механическому возбуждению, то есть заставлялся периодически двигаться, возбуждение распространялось на остальную часть кристалла, подобно электронам, инжектированным в полупроводник.

После демонстрации того, что полностью однородный метаматериал Дирака не пропускает механические возбуждения (точно так же, как электронам запрещено протекать через изолирующий полупроводник), исследователи ввели в систему определенный набор нелинейностей. Это новое свойство добавляло чувствительности к уровню механического возбуждения и могло тонко изменять резонансную энергию магнитомеханических атомов. При правильном выборе нелинейности исследователи наблюдали резкий переход от изолирующего к проводящему поведению в зависимости от того, насколько сильным был обеспечен вход.

Всякий раз, когда мы добавляем дефектные состояния и специальные атомы, мы нарушаем однородность материала, что может привести к другим нежелательным эффектам. Однако материалы, в которых дефектное состояние может быть сформировано по запросу за счет невидимого свойства, такого как масса Дирака, используемая в этой работе, имеют серьезные последствия для квантовых информационных систем, где они обещают кубиты, которые могут производиться динамически там, где они необходимы. Следующая задача — найти или синтезировать реальные материалы на основе природных атомов, которые могут воспроизвести этот эффект.

Эксперименты были проведены аспирантом-физиком Гэнмин Лю в сотрудничестве с постдокторантом доктором Джихо Но и аспирантом MechSE Цзянином Чжао Оригинал написан Майклом О’Бойлом. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Номер журнала :

Гэнмин Лю, Джихо Но, Цзянин Чжао, Гаурав Бахл. Самоиндуцированное граничное состояние Дирака и оцифровка в нелинейной цепочке резонаторов . Письма о физическом обзоре , 2022 г.; 129 (13) DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.135501

Цитировать эту страницу :

MLA
АПА
Чикаго

Инженерный колледж Грейнджера Иллинойского университета. «Исследователи показывают новый способ создания полезных дефектов с помощью невидимых свойств материала». ScienceDaily. ScienceDaily, 22 декабря 2022 г. .

Инженерный колледж Грейнджера Иллинойского университета. (2022, 22 декабря). Исследователи показывают новый способ создания полезных дефектов, используя невидимые свойства материала. ScienceDaily . Получено 7 января 2023 г. с сайта www.sciencedaily.com/releases/2022/12/221222162433.htm

Инженерный колледж Грейнджера Иллинойского университета. «Исследователи показывают новый способ создания полезных дефектов с помощью невидимых свойств материала».