L'invisibilità è una strategia di autoprotezione superiore di interesse di lunga data nel mondo accademico e industriale, sebbene il concetto sia finora più comunemente incontrato nella fantascienza. In un nuovo rapporto su Progressi scientifici , Su Xu e colleghi in ingegneria, nanotecnologia, la nanobionica e le informazioni quantistiche in Cina sono state ispirate dalla relazione ecologica naturale tra gli animali oceanici trasparenti ei loro predatori che impiegano una strategia di rilevamento della lunghezza d'onda incrociata. Gli scienziati hanno proposto un nuovo concetto di invisibilità a lunghezza d'onda incrociata che integrava una varietà di tattiche di invisibilità. Hanno presentato una strategia di progettazione booleana di metamateriali per bilanciare requisiti di materiali divergenti su lunghezze d'onda su scala incrociata. Come prova del concetto, hanno simultaneamente dimostrato l'occultamento delle onde lunghe e la trasparenza delle onde corte utilizzando una tecnica di nanoimprinting. Il lavoro ha esteso le tecniche di invisibilità dalle singole strategie di invisibilità mirate a uno spettro di lunghezza d'onda singola all'invisibilità integrata mirata alle applicazioni a lunghezze d'onda incrociate. Questi esperimenti apriranno la strada allo sviluppo di metadispositivi integrati a lunghezza d'onda incrociata.

Diventare trasparenti

Consentire il passaggio della luce attraverso il corpo è una strategia di autodifesa superiore nell'oceano per gli organismi di mezz'acqua. Per esempio, il crostaceo anfipode Cystisoma è per lo più trasparente a parte per alcuni organi necessari inclusi gli occhi per evitare il rilevamento da parte dei predatori. Però, alcuni predatori possono ancora rilevare e attaccare con successo prede trasparenti grazie alla loro visione spettrale incrociata. Se la preda potesse nascondersi completamente bilanciando l'interazione preda-predatore per superare la visione trasversale dei predatori, i loro tassi di sopravvivenza saranno molto più alti. Xu et al. si sono ispirati a questa relazione ecologica quando hanno proposto un concetto di invisibilità a lunghezza d'onda incrociata che integrava contemporaneamente l'occultamento delle onde lunghe e la trasparenza delle onde corte. La nuova strategia integra le strategie tradizionali esistenti di camaleonte adattivo camuffamento e il mantello dell'invisibilità che aggira le onde. In questo lavoro, gli scienziati rompono la relazione ecologica esistente tentando di nascondere la preda trasparente alla visione cross-spettrale dei loro predatori. Di conseguenza, questa filosofia dell'invisibilità sarà importante per le pratiche tecnologie stealth.

La strategia qui proposta mira a realizzare concetti che sono rimasti finora radicati nella fantascienza. Ad esempio, Xu et al. immaginano la loro filosofia dell'invisibilità per contribuire allo sviluppo di un futuristico, velivoli stealth trasparenti in laboratorio, dove i piloti saranno in grado di visualizzare liberamente l'ambiente circostante senza essere rilevati tramite il sistema radar a microonde. Il team ha costruito il dispositivo sperimentale utilizzando microscopici fili di argento/nichel per garantire una conduttività ottica estremamente bassa con la fabbricazione di nanoimprinting. I risultati hanno dimostrato una trasparenza ottica da 400 nm a 760 nm, e dispersione significativamente ridotta nel regime delle microonde da 6 a 10 GHz. La squadra potrebbe penetrare nel mantello trasparente con luce visibile (raggi blu e gialli) con perdite trascurabili, permettendo all'osservatore interno di vedere liberamente l'esterno. Il team ha progettato il mantello dell'invisibilità a microonde otticamente trasparente con due metasuperfici stampate su pellicole flessibili di polietilene tereftalato (PET) e isolate da un distanziatore curvo in PET. Lo strato interno della metasuperficie fungeva da confine di conduttore elastico perfetto (PEC), mentre i risonatori ad anello esterni sulla metasuperficie fornivano un'adeguata compensazione di fase e gli effetti di conservazione dell'ampiezza.

Ingegneria della risposta elettromagnetica e sviluppo del mantello a microonde otticamente trasparente

Xu et al. ha progettato la risposta elettromagnetica per l'invisibilità alle microonde secondo la legge di Snell generalizzata e ha utilizzato otto tipi di risonatori ad anello per costruire il mantello. La progettazione di celle unitarie da sola per l'invisibilità alle microonde non era sufficiente per realizzare l'invisibilità a lunghezze d'onda incrociate. Perciò, il team ha adottato una strategia di progettazione di metamateriali booleani per unire meta-strutture per ottenere funzionalità integrate a banda singola. Per realizzare questo, hanno integrato le meta-strutture per il regime a microonde e il regime visibile adottando una moltiplicazione logica booleana (indicata con o AND) in un circuito integrato. Le metastrutture integrate erano uguali alla rete metallica macroscopica formata da fili metallici microscopici mappati che mostravano una conduttività elettrica locale estremamente elevata pur preservando una conduttività ottica globale estremamente bassa.

Per costruire il mantello a microonde otticamente trasparente, il team ha scelto una tecnica avanzata di nanoimprinting che ha fornito una metasuperficie di ampia area per nascondere oggetti macroscopici e consentire la fabbricazione ad alta precisione dei microscopici fili metallici su microscala. Hanno condotto la caratterizzazione ottica dello strato esterno utilizzando la microscopia elettronica a scansione (SEM). Gli scienziati hanno sviluppato il profilo del risonatore ad anello microscopico con fili metallici circolari e hanno orientato diversi fili di cortocircuito lungo la direzione radiale per collegare i fili metallici circolari. Il team ha condotto un test sul campo per dimostrare sperimentalmente la visione ottica trasparente del mantello otticamente trasparente rispetto alle osservazioni dirette senza il mantello per consentire all'utente di vedere attraverso il mantello con una distorsione minima.

Tecnologia invisibile

Gli scienziati hanno mostrato sperimentalmente le prestazioni di occultamento delle microonde sotto incidenza polarizzata elettrica trasversale (TE) e magnetica trasversale (TM) e hanno studiato la riduzione totale della dispersione del campione su diverse frequenze. La fase e l'ampiezza dell'onda riflessa dal mantello era molto simile all'onda riflessa dal piano terra, causando una sostanziale riduzione della dispersione totale. In questo modo, il mantello ha diminuito la dispersione totale dell'oggetto oltre la gamma di frequenza da 6 a 10 GHz. I risultati hanno mostrato il raggiungimento dell'invisibilità della lunghezza d'onda incrociata con ampiezza preservata e fase non distorta alle frequenze delle microonde, insieme alla trasparenza omnidirezionale in tutto lo spettro visibile. Rispetto ai mantelli da tappeto sviluppati in passato, questo lavoro ha presentato una dimostrazione sperimentale per ottenere l'invisibilità nelle regioni a lunghezza d'onda incrociata combinando più schemi di invisibilità. La tecnologia stealth descritta qui sarà più accessibile con tecnologie avanzate di nanofabbricazione.

Combinando l'occultamento delle onde lunghe e la trasparenza delle onde corte in questo lavoro, Su Xu e colleghi hanno permesso agli occhi di un sistema stealth di osservare chiaramente il mondo esterno, pur rimanendo inosservato. Rispetto ai metodi esistenti di controllo delle onde elettromagnetiche, il design del metamateriale booleano ha fornito una strategia per combinare varie strategie di invisibilità per l'integrazione dell'invisibilità a lunghezze d'onda incrociate. Il lavoro include circuiti logici integrati e apre la strada alla realizzazione di dispositivi multifunzionali o multifisici in dimensioni compatte.

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