Tieteis- ja fantasiakertomusten kestokikka eli näkymättömäksi muuttuminen alkaa olla kohta arkipäivää laboratorioissa. Tiedetuubissa on aiemmin kerrottu, miten esineet saadaan katoamaan mikroaaltoalueella, mutta nyt ollaan päästy jo näkyvään valoonkin – eli aitoon näkymättömyyteen.

Berkeleyn laboratoriossa on kehitetty näkymättömyysviitta, joka muodostuu 80 nanometrin paksuisesta metapinnasta. Sen toiminta perustuu kullasta valmistettuihin nanoantenneihin, jotka suuntaavat valoa siten, että viitan peittämää kappaletta ei näy lainkaan.

Samaan pääsee tietysti vetämällä hupun päähän, mutta tässä tapauksessa myöskään viittaa ei pysty erottamaan. Tutkimuksessa kadotettava kappale ei ollut suuren suuri, vain muutaman solun kokoinen, mutta kyse on silti läpimurrosta.

"Tämä on ensimmäinen kerta, kun kolmiulotteinen muoto saadaan piiloon näkyvän valon alueella", iloitsee Xiang Zhang, metamateriaalien huippuasiantuntija. Metamateriaalit ovat keinotekoisia nanorakenteita, joiden sähkömagneettisia ominaisuuksia ei löydy luonnon aineista.

Esineiden näkyminen perustuu valon sirontaan kappaleiden pinnasta. Zhangin tutkijaryhmä on kymmenen vuoden ajan kehitellyt materiaaleja, joiden keinotekoiset optiset ominaisuudet muuttavat valon suuntaa erikoisella tavalla. 

Jo aiemmin ryhmä on onnistunut kehittämään peitteen, joka toimii periaatteessa kuin näkymättömyysviitta, mutta on rakenteeltaan hankala ja toisaalta sen pystyy erottamaan taustaa vasten. Täydellistä näkymättömyyttä sillä ei siis saavuteta.

"Viimeaikainen metapintojen kehitys mahdollistaa valoaaltojen suoran manipuloinnin aallonpituutta pienemmillä elementeillä, jotka nanoskaalassa muokkaavat säteilyn sähkömagneettisia ominaisuuksia", selittää tutkijaryhmään kuuluva Xingjie Ni.

Kun punainen valo osuu kolmiulotteiseen, poikkileikkaukseltaan noin 1 300 neliömikrometrin kokoiseen kappaleeseen, joka on peitetty kultaisista nanoantenneista rakentuvalla viitalla, se heijastuu pinnasta samaan tapaan kuin tasopeilistä. Kappaletta ei silloin näy, ei myöskään itse viittaa. 

Viitan voi kytkeä päälle ja pois muuttamalla nanoantennien polarisaatiota. Toistaiseksi näkymättömyys saadaan aikaan vain mikroskooppisissa mitoissa, mutta jatkossa viittaa on tarkoitus kehittää niin, että sillä voidaan peittää myös suurempia kappaleita.

Näkymättömyysviitasta kerrottiin Berkeleyn uutissivuilla ja se on julkaistu Science -tiedelehdessä (maksullinen). Alla on video siitä, miten kappale katoaa, kun näkymättömyysviitta kytketään päälle.

Kuva ja video: Xiang Zhang työryhmineen/Berkeley Lab/UC Berkeley

Litteät linssit ovat olleet Tiedetuubissa esillä aiemminkin, mutta nyt kehitetyssä optiikassa on luovuttu perinteisestä lasistakin. NASAn JPL:ssä (Jet Propulsion Laboratory) ja Caltechissa (California Institute of Technology) on kehitelty lattalinssi, jolla valoa voidaan manipuloida aiemmin hankalina tai peräti mahdottomina pidetyillä tavoilla.

Uudenlainen optiikka perustuu piistä tehtyihin nanopilareihin, jotka muodostavat hunajakennomaisen rakenteen. Tällainen "metapinta" muuttaa sen läpi kulkevan valon suuntaa ja ominaisuuksia.

Pyyhkäisyelektronimikroskoopilla tarkasteltuna optinen metapinta muistuttaa kaadettua metsää, josta on vain kannot jäljellä. Jokaisen "piikannon" tai pilarin poikkileikkaus on ellipsin muotoinen. Muuttamalla pilarien läpimittaa ja asentoa on mahdollista muokata pinnan läpi kulkevien valoaaltojen vaihetta ja polarisaatiota.

Jos valoaallot ovat samassa vaiheessa, niiden muodostama valonsäde on voimakkaampi. Siihen perustuu esimerkiksi laserin teho. Toisaalta vaiheen muuttaminen vaikuttaa valonsäteen taittumisen määrään ja sitä kautta esimerkiksi kameroissa kuvan tarkentumiseen.

Valon polarisaatio on puolestaan tärkeä tekijä monissa optiikan sovelluksissa, joista tutuimpia ovat aurinkolasit ja 3D-elokuvien katsomiseen tarvittavat lasit.

Lattalinsseillä voidaan myös muokata valonsäteen muotoa. Esimerkiksi puolijohdelaserien synnyttämä lasersäde on poikkileikkaukseltaan yleensä elliptinen, mikä vaikeuttaa sen käyttöä erilaisissa sovelluksissa. Säteen pyöristämiseen on tarvittu kalliita optisia järjestelmiä, mutta uusilla metapintalinsseillä se onnistuu paljon edullisemmin. 

Lattalinsseille löytyy potentiaalisia sovelluskohteita mikroskoopeista näyttöihin ja erilaisista ilmaisimista kameroihin. Optiikan koko ei ole enää rajoittava tekijä, sillä metapinnan muodostaman linssin paksuus on alle sadasosa hiuksen paksuudesta.

"Nykyisin optiset järjestelmät tehdään osa kerrallaan ja ne kootaan usein käsityönä", toteaa tutkimusryhmää johtanut Andrei Faraon. 

"Kehittämämme uusi tekniikka muistuttaa hyvin paljon puolijohdesirujen tulostamista piikiekoille, joten sillä voidaan valmistaa kerralla miljoonia järjestelmiä esimerkiksi mikroskooppeihin tai kameroihin."

Tutkimusryhmä on aloittanut jo yhteistyön alan teollisuuden kanssa. Tarkoituksena on kehittää metapintoja, joita voidaan käyttää kaupallisissa laitteissa, kuten pienikokoisissa kameroissa. 

Uudenlaisesta optiikasta kerrottiin JPL:n uutissivuilla.

Kuva: Amir Arbabi/Faraon Lab/Caltech