Mirajul invizibilitatii

Nu se compara cu „recuzita“ lui Harry Potter si nici cu scutul cu ajutorul caruia klingonienii din Star Trek isi fac navele nevazute… Totusi, dispozitivul experimental realizat in luna octombrie a acestui an de catre un grup de cercetatori de la Duke University din Durham, Statele Unite, Imperial College din Londra, Marea Britanie, si SensorMatrix, o companie din San Diego, a reusit sa faca invizibil aproape in totalitate un cilindru de cupru. Mai exact, cilindrul de cupru ambalat intr-un material special n-a putut fi identificat de microundele care l-au traversat, obiectul devenind, ca urmare, nedetectabil prin radar. Denumit de presa din intreaga lume „prima pelerina functionala a invizibilitatii“, dispozitivul nu este nici pe departe vreun articol de imbracaminte pe care l-am putea folosi pentru a ne face nevazuti; el reprezinta mai degraba un soi de scut, o bariera realizata din asa-numitele metamateriale, precis dispuse intr-o serie de cercuri concentrice. Acestea din urma confera metamaterialelor proprietati electromagnetice specifice si le fac capabile sa interactioneze cu undele care le ating. In natura nu exista nici un material capabil sa curbeze lumina. Toata magia sta asadar in metamateriale, in cazul de fata in cele dezvoltate de David Smith si David Schurig de la Duke University, pe baza rezultatelor teoretice obtinute in luna mai a anului trecut de Sir John Pendry, profesor la Imperial College din Londra. Metamaterialele ghideaza undele si le fac sa alunece in jurul obiectului – a explicat David Schurig –, dand impresia ca in spatiu se creeaza un gol.

Conform specialistilor, acest fenomen este similar celui pe care-l numim miraj sau Fata Morgana si in care straturile de aer cu diferite temperaturi (si, in consecinta, cu diferiti indici de refractie) curbeaza razele de lumina si produc impresia ca undeva, la orizont, se afla o oglinda sau suprafata unui lac. Fenomenul apare vara pe soselele construite in linie dreapta pe distante de mai multi kilometri, dar mai ales in desert, unde de altfel a si fost observat pentru prima oara; in natura, el este insa foarte instabil si depinde de mai multi factori.
Metamaterialele produc acelasi efect intr-o structura stabila, iar matematic totul se reduce la formulele propuse de Albert Einstein in Teoria relativitatii generalizate.

• O nouă teorie a dezvăluit forma fotonilor
• S-a descoperit că astronauții procesează sarcinile mai lent în spațiu

Vizibilul invizibil
Vedem obiectele din jurul nostru pentru ca lumina „vizibila“ – o radiatie electromagnetica ale carei lungimi de unda merg de la 300 la 700 nm – ricoseaza de pe suprafata acestora permitand ochiului uman sa le perceapa.

Metamaterialele sunt structuri microscopice create in laborator care, la anumite frecvente, dau valori negative de conductibilitate si permeabilitate. Aceste materiale pot avea un indice de refractie negativ, adica pot intrerupe reflexele luminii asupra unui obiect, facandu-l pe acesta, practic, invizibil. Metamaterialele au proprietati care nu se inscriu in tabelul periodic al elementelor chimice si reactii care nu functioneaza in mod absolut dupa actualele legi ale electromagnetismului.

Proprietatile materialelor cu indice de refractie negativ au fost sugerate in 1967 de catre fizicianul rus Victor Veselago, dar la acea vreme tehnologiile erau prea rudimentare pentru a permite experimente complexe.

Gradina secreta
Pentru a se proteja de privirile Meduzei, Perseu purta un coif. Se spune ca Gyges, pastorul din Republica lui Platon, se servea de puterile magice ale unui inel pentru a o putea vedea pe regina goala; ceva mai tarziu, Shakespeare le recomanda celor interesati de invizibilitate semintele de feriga, ignorand faptul ca feriga nu are seminte. Insa numai stiinta a reusit cu adevarat sa transfere conceptul mult ravnitei invizibilitati de pe taramul fanteziei in realitate. „Am izbutit sa intredeschidem poarta gradinii secrete“, considera Sir Pendry. El nu este insa singurul care incearca sa faca obiectele sa dispara. Romanul Nicolae-Alexandru Nicorovici, fizician la School of Physics din cadrul Universitatii din Sydney, in prezent cetatean australian, si Graeme Milton de la Universitatea din Utah au pus la punct – la nivel teoretic – un sistem capabil sa interactioneze cu fotonii intr-o maniera neconventionala pentru a crea efectul de invizibilitate. Sistemul in chestiune se bazeaza pe caracteristicile deosebite ale unei superlentile, de fapt ale unui metamaterial cu proprietati optice inexistente in natura, obtinute gratie unei anumite dispuneri a componentelor sale microscopice. Practic, superlentila poseda un indice de refractie negativ ce „constrange“ fotonii care interactioneaza cu ea sa se curbeze pe suprafata acesteia, pentru a fi apoi reorientati in directia originara. Efectul final obtinut astfel este cel al transparentei.

In cercetarile privitoare la „cucerirea“ invizibilitatii, Nicorovici este implicat din octombrie 1991, de cand se afla in Australia. Mai precis, explica el, si-a concentrat studiul asupra „teoriei materialelor compozite“, care cerceteaza proprietatile electrice, magnetice, optice, mecanice ale unor materiale noi, inexistente in natura. „Ceea ce numim astazi metamateriale sunt materiale compozite cu indice de refractie negativ (din punctul de vedere al proprietatilor optice) sau cu coeficient de refractie negativ (daca ne referim la proprietatile acustice ale unui mediu elastic).“

Intre 1991 si 1995, la Universitatea din Sydney, fizicianul roman a lucrat cu profesorul Ross McPhedran si cu Graeme Milton de la Universitatea din Utah, Statele Unite, publicand impreuna cu acestia cateva lucrari in care erau demonstrate matematic posibilele proprietati exotice ale unor materiale compozite formate din cilindri coaxiali aranjati periodic intr-o matrice omogena si izotropa. „Pe atunci, metamaterialele nu existau, asa ca totul a fost privit doar ca un rezultat matematic interesant“, isi aminteste Nicorovici, precizand ca ulterior s-a concentrat asupra studiului cristalelor fotonice, lasand metamaterialele pentru o data ulterioara. 

Superlentilele au fost construite in 2001, de un grup condus de profesorul David Smith (University of California, San Diego), dupa un model sugerat in 2000 de catre profesorul Pendry de la Imperial College din Londra. „Bineinteles ca realizarea practica a superlentilelor a readus in actualitate o multime de studii mai vechi care au prezis diferitele proprietati ale acestora. Mai mult, au aparut studii noi despre materiale cu proprietati acustice analoage superlentilelor (care prezinta anomalii electromagnetice)“, explica fizicianul roman. 

Recent, Nicolae Nicorovici si Graeme Milton au publicat o demonstratie matematica a unui fenomen care poate conduce la invizibilitatea unor obiecte. „Invizibilitate din punct de vedere electromagnetic, pentru ca obiectul exista si poate fi detectat prin metode mecanice“, spune Nicorovici, precizand ca, si din punct de vedere electromagnetic, fenomenul este limitat la anumite frecvente sau lungimi de unda. „Demonstratia pe care am publicat-o noi se bazeaza pe un efect de rezonanta anormala in vecinatatea unei superlentile“, adauga el, precizand ca este vorba despre o metoda diferita de cea utilizata la Duke University de catre Pendry, Smith si Schurig pentru realizarea experimentala a dispozitivului care face aproape complet invizibil un cilindru de cupru invelit intr-un material special cu indice de refractie variabil, atunci cand este iradiat cu microunde. „Noi nu am construit nimic si nici nu lucram la dispozitive experimentale, asa ca e greu de spus ce dificultati s-ar ivi pe drumul de la teorie la practica“, precizeaza savantul.

De aceasta data, tehnologia pare a se fi apropiat de-a binelea de magie, desi metamaterialele folosite in clipa de fata nu au nimic in comun cu cele folosite la constructia avioanelor invizibile americane si nici cu experimentele extravagante care au loc de mai bine de o jumatate de secol in toata lumea – precum cel al cercetatorului texan care, folosind o vopsea pe baza de glicerol, facea transparente vreme de cateva momente tesuturile cobailor sai, cel de la Universitatea din Pennsylvania, unde obiectele erau „camuflate“ printr-un efect de lentila generat de anumite minerale sau cel de la Universitatea din Tokio, unde un „impermeabil“ proiecta in fata ceea ce se ascundea in spate printr-o combinatie de oglinzi si aparate de filmat.

Urmatorul obiectiv al oamenilor de stiinta consta in a dezvolta o pelerina tridimensionala capabila sa confere invizibilitate obiectelor si in spectrul de frecvente reperabile de catre ochiul uman.   

Realizarea acesteia va fi insa extrem de dificila, marturiseste David Schurig. Cercetatorii vor trebui sa faca apel la nanotehnologii specifice si vor avea nevoie de cateva „gaselnite“ pentru a face sa functioneze un astfel de mecanism. „Va fi nevoie de alti cativa ani buni de studiu si nu avem siguranta ca vom reusi“, spune el. Asta pentru ca fasciculele de lumina vizibile sunt mai scurte decat spectrul microundelor pe care cercetatorii le studiaza in prezent, iar privirea umana vede lumina in diferite lungimi de unda stratificate. In plus, nu este deocamdata clar daca metamaterialele pot fi proiectate, pentru a reflecta lumina, la diferite lungimi de unda simultan.

In ultima instanta insa, chiar si in eventualitatea in care pelerina invizibilitatii nu va fi perfecta, o utilitate tot i se va gasi, este de parere David Smith. Reflectarea luminii verzi ar putea, de exemplu, sa faca invizibila o persoana care calatoreste prin jungla, sugereaza el, exemplificand cu filmul Predator, unde un alien poarta o manta ce-i confera o invizibilitate partiala si-i serveste de minune. Metamaterialele ar mai putea fi utilizate la reducerea impactului unor cladiri asupra mediului. In plus, din ele s-ar putea realiza paravane gratie carora semnalele de telefonie mobila ar putea ocoli obstacolele. In ceea ce ne priveste, spre deosebire de Harry Potter, daca ne-am imbraca in vesminte din metamaterial, corpul nostru nu ar mai absorbi razele de lumina si, ca atare, desi am reusi sa devenim cu adevarat invizibili, nici noi nu am mai vedea nimic: am fi ca si orbi.

FACTS

Istoria invizibilitatii

390 i.Hr.
Platon include in Republica mitul lui Gyges: un pastor gaseste un inel care-i permite sa devina nevazut, dar il si „corupe“.
1860
Magicienii inventeaza „formula invizibilitatii“, folosind oglinzi pentru a-si ascunde asistentii in interiorul unui dulap.
1875
Iluzionistul Max Auzinger dezvolta „black art“: un asistent imbracat in negru devine „invizibil“, fiind asezat in fata unei draperii de catifea neagra.
1897
In romanul sau Omul invizibil, H.G. Wells incearca sa explice bazele stiintifice ale invizibilitatii, folosind modelul unui index de refractie alterat.
1942
Are loc Proiectul Yehudi – tentativa a US Navy de a realiza o aeronava invizibila. Avionul era astfel iluminat incat sa aiba culoarea identica celei a cerului, reducandu-i-se drastic vizibilitatea.
1967
Fizicianul rus Victor Veselago prezice existenta unui material cu indice de refractie negativ, pe care-l numeste „stangaci“.
1982
Intra in serviciu F-117 Nighthawk, prima aeronava proiectata in asa fel incat sa nu poata fi sesizata de radar.
1994
US Army lanseaza „Soldatul Invizibil“, program menit a-i face pe combatanti invizibili pentru spectrul electromagnetic.
2001
O echipa de la University of California, San Diego, realizeaza prima demonstratie a materialului cu indice de refractie negativ.
2003
Prof. Susumu Tachi, de la Universitatea din Tokio, prezinta o „mantie invizibila“ pe care e proiectata o imagine a scenei din spate.
2006
John Pendry, de la Imperial College din Londra, impreuna cu David Smith si David Schurig, de la Duke University (SUA), publica teoria metamaterialului „mantiei invizibile“.
2008
La Duke University este asteptata demonstratia primului metamaterial capabil sa camufleze obiecte in fata radarurilor.
2011
Ar putea fi produs primul metamaterial care sa faca obiectele complet invizibile din punct de vedere optic.

Adevarul despre invizibilitate

Invizibilitate: razele de lumina sunt curbate in jurul sferei de metamaterial si o „apuca“ pe aceleasi trasee pe care le-ar folosi daca obiectul nu s-ar afla acolo, facandu-l invizibil. Metamaterialul este sustinut de micute structuri metalice incastrate in suprafata structurii sale nemetalice. Aceste structuri imita felul in care atomii interactioneaza cu lumina si sunt cuplate/acordate astfel incat fotonii sa atinga usor materialul, de jur-imprejur. Pentru ca traiectoria unei raze de lumina sa fie mentinuta, din orice directie, in proximitatea obiectului, metamaterialul trebuie aranjat cu precizie. Orice miscare a acestuia ar genera o distorsionare a luminii care trece prin el. Avand in vedere faptul ca materialul trebuie sa fie rigid, dispozitivul seamana mai mult cu un „scut“ al invizibilitatii, decat cu o „pelerina“. Raza lungimilor de unda pe care le poate canaliza un scut din metamaterial este determinata de adancimea acestuia.

Experimentul Philadelphia

De aproape o jumatate de secol, istoria Experimentului Philadelphia infierbanta imaginatia oamenilor. Se spune ca, incepand din anii ’30-’40, Marina americana a inceput sa se intereseze de posibilele aplicatii in domeniul militar ale teoriei einsteiniene a campului unificat, ce punea in legatura campurile magnetice si gravitationale cu alte fenomene subatomice (pentru care gravitatia si magnetismul ar fi legate intre ele precum sunt masa si energia in faimoasa formula E ® mc2). Se urmarea ca, aplicand un camp magnetic unui corp, sa i se provoace acestuia din urma disparitia. Conform celor povestite de „martori“, pe 28 octombrie 1945, la bordul navei Eldridge DE 173 au fost montate cateva generatoare de tip De Gausser; in scurt timp, intr-o lumina verzuie si cu un suierat asurzitor, vasul a disparut din port vreme de cateva secunde, sub puternica actiune a campului magnetic generat de electromagneti. Dar acesta nu a fost singurul efect al campului magnetic. Tot conform marturiilor unor presupusi martori oculari, unii dintre membrii echipajului au devenit invizibili, altii au pierit in flacari, iar altii si-au pierdut mintile. Se mai povesteste si ca, inainte de a se „intoarce“ in portul Philadelphia, nava s-ar fi „teleportat“, reaparand pentru cateva clipe in portul Norfolk, la o suta de kilometri distanta. Imediat, documentele oficiale au dezmintit existenta unui astfel de experiment, marina militara americana furnizand jurnalul de bord al navei Eldridge, din care rezulta ca aceasta nu fusese niciodata la Philadelphia. S-a sugerat ca Experimentul Philadelphia ar fi fost confundat cu niste manevre de invizibilitate la minele magnetice, procedura cunoscuta sub numele de degaussing si definita de militari ca un proces prin intermediul caruia un sistem de cabluri electrice este instalat de-a lungul unei nave, de la pupa la prora, pe ambele laturi, dupa care un curent electric masurat este trecut prin ele pentru a anula campul magnetic al ambarcatiunii.

EXPERTS

Ochiul mathematic

Aplicatiile superlentilelor pot fi multiple si pot viza o sumedenie de domenii, dar este evident ca va avea prioritate cel militar. Exista totusi unele probleme. De exemplu, un om aflat in vecinatatea unei superlentile devine invizibil, dar nici el nu vede nimic in juru-i. La fel se intampla si in cazul dispozitivului recent creat la Duke University. Exista apoi si unele probleme legate de intensitatea campului electromagnetic din zona respectiva.
In ciuda unor afirmatii aparute in presa care prezic realizari practice in aproximativ 18 luni, sunt convins ca o aplicatie utila a acestui fenomen ar putea aparea de-abia in 5-10 ani.
In multe publicatii si pe numeroase site-uri de internet a aparut stirea, eronata, conform careia noi, echipa de la Universitatea din Sydney, am fi construit superlentilele sau dispozitivul care te face invizibil, fapt deloc adevarat. Noi am facut doar o demonstratie matematica bazata pe lucrarile noastre anterioare. Totul a fost doar teoretic, nu experimental. De asemenea, am citit pe internet multe afirmatii care trec peste orice rezultat existent la ora actuala, prezicand tot felul de minuni. Astfel de afirmatii sunt de domeniul SF. 
Proiectele la care lucrez in prezent sunt destul de numeroase: continuarea simularilor numerice pentru diferite configuratii de obiecte si superlentile, teoria plasmonilor (unde electromagnetice de suprafata), modelele de circuite si ghiduri de unde bazate pe cristale fotonice. De fapt, in toate modelele la care am lucrat si lucrez in prezent, baza matematica rezida in teoria multipolilor, asa ca, desi numele proiectelor sunt diferite, baza teoretica este similara.

Dr. Nicolae-Alexandru P. Nicorovici ocupa postul de senior physicist la Universitatea de Tehnologie din Sydney, Australia.