Teknologi. Indtil nu har usynlighed været underlagt fundamentale begrænsninger. Men nu har et forskerhold fremlagt deres bud på en usynlighedskappe, der virker fra alle vinkler og for alt synligt lys – i hvert fald i meget lille skala.

Opskriften på usynlighed

Opskriften på usynlighed

Ideen om at gøre et objekt usynligt for det menneskelige øje har længe optaget videnskaben, og i de seneste årtier har forskere med en vis succes eksperimenteret med usynlighedskapper i meget lille skala.

»Det er egentlig ikke så svært at skjule et objekt for det menneskelige øje, det har tryllekunstnere jo gjort i årevis med spejle. At skabe ægte usynlighed betyder at gå et skridt videre. I stedet for at manipulere med øjne, der befinder sig præcis ét sted, vil vi styre lysets egenskaber,« siger Kosmas Tsakmakidis fra Athens universitet, som forsker i usynlighedsteknologi.

I praksis har de hidtidige løsninger dog haft betydelige begrænsninger: Man har opfundet teknologier, der kan tilsløre objekter, men kun fra bestemte vinkler og kun for enkelte lystyper. Nu har en forskergruppe ledet af Tsakmakidis imidlertid demonstreret, hvordan man i teorien kan skabe tredimensionel usynlighed, der virker for alt synligt lys.

»Vi kan ikke få selve volumen af objektet til at forsvinde, men vi kan få kappe-objekt-konstruktionen til optisk at opføre sig, som om den bestod af ét enkelt punkt i rummet,« siger Kosmas Tsakmakidis om studiet, som for nylig blev publiceret i Nature Communications.

Klaus Mølmer, der er professor på Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet, er begejstret:

»Det, de viser, det er det bedste, jeg nogensinde har set inden for usynlighedskapper. Kosmas Tsakmakidis demonstrerer, at han kan skabe usynlighed for et bredt udvalg af farver, og så er det selvfølgelig også fantastisk, at det er tredimensionelt, så han kan nærme sig objektet fra alle retninger.«

Læs også om, hvordan matematikken har ført til nogle af verdens vigtigste opfindelser: »At tæmme uendelig­heden«

Kappens grundingrediens er et såkaldt »aktivt materiale«. Zoomer man ind, består det af bittesmå strukturer af elektriske kredse, der er designet til at få lys til at agere helt anderledes, end det gør med naturlige objekter.

Når lysstråler flyver gennem luften og rammer et andet materiale, reflekteres noget tilbage, mens noget bryder ind i det nye medie. Det brudte lys ændrer i dette møde sin vinkel, og normalt vil materialet – såsom vand, glas eller diamanter – få lyset til at bremse lidt op. Men ikke med aktivt materiale. Det er designet til at sætte ekstra skub i lyset, så det bæres gennem kappen med ekstrem høj hastighed.

Dermed undgår man, at lyset reflekteres. I stedet bøjes lysstrålen rundt om objektet, led for led i kappens materiale. Processen kan sammenlignes med vand, der løber rundt om en sten i en flod, og den hurtige hastighed rundt om »stenen« klarer endnu et problem:

»For at gøre objektet usynligt skal det lys, der bevæger sig inde i kappen, ledes rundt og derefter dukke op på den anden siden og tilslutte sig lysbølgerne uden for, som om intet var hændt,« forklarer Kosmas Tsakmakidis.

DET første skridt mod usynlighed blev taget i et laboratorium på Duke University i USA i 2006. Dengang byggede man en usynlighedskappe ud af såkaldte metamaterialer, der bestod af helt tynde kobbertråde og c-formede ringe indlejret i syntetiske fiberplader.

Også her var ideen at transportere lyset rundt, og kappen virkede upåklageligt, men kun på mikrobølger. Ifølge professor Klaus Mølmer fra Aarhus Universitet har det været udfordringen lige siden:

»Metamaterialer ligner næsten sådan nogle gammeldags sættekasser med små hylder, og så bliver lyset drejet rundt via dem. Det virker fra stort set alle retninger, men kun for et begrænset frekvensområde. Det er, fordi materialet nærmest er skabt til bestemte bølgelængder. Hvis man kommer med en bølgelængde, der er mindre, så rejser den lige igennem, og hvis du kommer med en, der er større, så bliver den fuldstændig reflekteret,« siger Klaus Mølmer.

Usynlighed har da kun virket for bestemte bølgelængder – farver, om man vil. Lyser man med almindeligt hvidt lys fra en lommelygte på Duke Universitys kappe, vil den kaste alle de bølgelængder tilbage, der ikke er mikrobølger. Som resultat står man tilbage med en kappe, der måske nok dækker for objektet, men ikke på en særlig usynlig måde.

Lektor Francesco Monticone fra Cornell Universitet i Ithaca, USA, udgav derfor i 2016 en videnskabelig artikel, hvor han og en række kollegaer kortlagde fundamentale begrænsninger inden for usynlighed. I dag er han anderledes optimistisk:

»Vi har netop bevist, at de fysiske begrænsninger i forbindelse med usynlighedskapper faktisk kan overskrides. I stedet for passive materialer skal vi have fokus på aktive materialer,« siger Francesco Monticone.

At kappematerialet er aktivt, betyder, at det giver et ekstra energiskud til de elektromagnetiske bølger – lyset – der rammer det. Det kan lade sig gøre, fordi stoffet består af små halvledere, som er gennemsigtige, således at lyset både bliver forstærket og gennemtrænger det. Som en forudsætning for dét er kappen dog selv afhængig af en ekstern energikilde, enten i form af et regulært batteri eller den slags pumpemekanismer, der findes i en laser. Samlet set er det et delikat design, og djævlen ligger i detaljen:

»Vi er næsten ude i kaosteori og sommerfugleeffekten,« forklarer professor Klaus Mølmer:

»Hvis man bare har en lille bitte fejl, der påvirker bølgen i sådan en forstærkningsproces, vil fejlen vokse. Jo dybere, den rejser igennem materialet, jo værre vil det blive.«

Netop derfor har lektor Francesco Monticone i et nyt studie, der snart udkommer i tidsskriftet IEEE Transactions on Antennas and Propagation, lavet en oversigt over, hvordan man stykker kappeingredienserne sammen:

»Resultaterne fra Athens universitet er tankevækkende. Men hvis materialet ikke er korrekt udformet, kan det begynde at udstråle bølger med stigende amplituder, og usynlighedskappen forvandles pludselig til en laser. Dette er helt klart uønsket, da det gør hele konstruktionen meget synlig,« siger Monticone.

Formår man at tøjle energien ordentligt, bevirker den ekstra forstærkning til gengæld, at kappen kan tage imod og bearbejde farver i hele det synlige spektrum.

Vil det sige, at vi om få år kan købe vores egen usynlighedskappe? Tsakmakidis griner:

»Nej. Vi er stadig begrænsede til nanostørrelse. Men selvom udsigterne til ægte usynlighed måske er små, bogstaveligt talt, er det stort inden for mit felt. I nanofotonikken kan vi gøre meget, hvis vi bliver bedre til at skræddersy bølgers opførsel.«

Kosmas Tsakmakidis nævner, at usynligt materiale blandt andet vil kunne bruges til nanosensorer – små, ultrasensitive instrumenter, der kan opsnappe bakteriers kommunikationssignaler og dermed opdage infektioner tidligt. Her er det en stor fordel, hvis materialet i sig selv ikke forstyrrer signalet.

Allerede i dag kan man på internettet finde YouTube-videoer med »usynlige biler« og andre eksempler på usynlighedsteknologi i stor skala. Men det er vigtigt at trække en grænse mellem det, der kan kaldes optiske illusioner, og så »ægte usynlighed«, siger Francesco Monticone.

»Teknikker, hvor man overfører et billede fra bagsiden til fronten af et objekt, vil jeg slet ikke kalde tilsløring, og det skyldes, at man ikke sigter mod rent faktisk at annullere lysets refleksion, når det rammer objektet. Den mangel gør tricket let at opdage ved blot at flytte sin position eller måle det med et instrument.«

 

Læs også: Syd for San Francisco udspringer en elektrisk energi, som resten af kloden forsøger at koble sig på: »Hvor de vilde ideer gror«

Side 56