Dalam Star Trek IV: The Voyage Home, kru Enterprise menangkap sebuah kapal penjelajah Klingon. Tidak seperti kapal Federasi Starfleet, kapal Kerajaan Klingon dilengkapi dengan "perangkat cloaking" rahasia yang dapat membuat mereka tidak terlihat oleh mata dan radar. Perangkat ini memungkinkan kapal Klingon untuk tidak diperhatikan di ekor kapal Federasi dan menyerang tanpa hukuman. Berkat perangkat cloaking, Kerajaan Klingon memiliki keunggulan strategis atas Federasi Planet.
Apakah alat seperti itu benar-benar mungkin? Gaib telah lama menjadi salah satu keajaiban karya fiksi ilmiah dan fantasi - dari "The Invisible Man" hingga jubah gaib ajaib Harry Potter atau cincin dari "The Lord of the Rings". Namun demikian, setidaknya selama seratus tahun, fisikawan dengan suara bulat telah menyangkal kemungkinan menciptakan jubah gaib dan dengan tegas menyatakan bahwa ini tidak mungkin: jubah, kata mereka, melanggar hukum optik dan tidak setuju dengan sifat materi yang diketahui.
Tetapi hari ini, yang tidak mungkin bisa menjadi mungkin. Kemajuan di bidang "metamaterial" memaksa revisi signifikan buku teks optik. Sampel kerja dari bahan semacam itu yang dibuat di laboratorium sangat menarik bagi media, industrialis, dan militer; semua orang tertarik pada bagaimana membuat yang terlihat tidak terlihat.
Gaib dalam sejarah
Gaib mungkin salah satu konsep tertua dalam mitologi kuno. Sejak awal waktu, seorang pria, yang ditinggalkan sendirian dalam kesunyian malam yang menakutkan, merasakan kehadiran makhluk tak terlihat dan takut pada mereka. Di sekelilingnya dalam kegelapan mengintai roh-roh orang mati - jiwa mereka yang telah pergi sebelum dia. Pahlawan Yunani Perseus, bersenjatakan helm tak terlihat, berhasil membunuh Medusa gorgon jahat. Jenderal sepanjang masa memimpikan perangkat cloaking yang akan membuat mereka tidak terlihat oleh musuh. Menggunakan invisibility, seseorang dapat dengan mudah menembus garis pertahanan musuh dan membuatnya terkejut. Penjahat bisa menggunakan tembus pandang untuk melakukan perampokan berani.
Dalam teori etika dan moralitas Plato, sifat tembus pandang memainkan peran utama. Dalam karya filosofisnya, "Negara", Plato memberi tahu kita mitos tentang cincin Giga. Dalam mitos ini, gembala yang malang tapi jujur Gigus dari Lydia memasuki gua rahasia dan menemukan kuburan di sana; dia melihat cincin emas di jari mayat itu. Gig selanjutnya menemukan bahwa cincin itu memiliki kekuatan magis dan dapat membuatnya tidak terlihat. Gembala yang malang itu benar-benar mabuk dengan kekuatan yang diberikan cincin itu padanya. Setelah berhasil masuk ke istana kerajaan, Gigus menggoda ratu dengan sebuah cincin, kemudian dengan bantuannya ia membunuh raja dan menjadi raja Lydia berikutnya.
Moral yang disimpulkan Plato dari cerita ini adalah bahwa tidak ada orang yang mampu menahan godaan untuk mengambil milik orang lain dan membunuh tanpa hukuman. Manusia itu lemah, dan moralitas merupakan fenomena sosial yang harus ditanamkan dan didukung dari luar. Di depan umum, seseorang dapat mengamati standar moral agar terlihat sopan dan jujur serta mempertahankan reputasinya sendiri, tetapi begitu Anda memberinya kesempatan untuk menjadi tidak terlihat, dia tidak akan dapat melawan dan pasti akan menggunakan kekuatan barunya. (Beberapa percaya bahwa perumpamaan moral ini menginspirasi JRR Tolkien untuk menciptakan trilogi The Lord of the Rings; cincin yang membuat pemiliknya tidak terlihat juga merupakan sumber kejahatan.)
Video promosi:
Dalam fiksi ilmiah, tembus pandang adalah salah satu penggerak plot yang paling umum. Pada seri komik tahun 1930-an. "Flash Gordon" Flash menjadi tidak terlihat untuk bersembunyi dari regu tembak jahat Ming the Ruthless. Dalam novel dan film tentang Harry Potter, karakter utama, yang mengenakan jubah ajaib, dapat berkeliaran di sekitar Kastil Hogwarts tanpa disadari.
H. G. Wells, dalam novel klasik The Invisible Man, secara kasar telah mewujudkan ide-ide yang sama dalam bentuk konkret. Dalam novel ini, seorang mahasiswa kedokteran secara tidak sengaja menemukan kemungkinan dimensi keempat dan menjadi tidak terlihat. Sayangnya, dia menggunakan kesempatan fantastis yang didapat untuk keuntungan pribadi, melakukan serangkaian kejahatan kecil dan akhirnya mati dalam upaya putus asa untuk melarikan diri dari polisi.
Persamaan Maxwell dan misteri cahaya
Fisikawan telah memperoleh pemahaman yang jelas tentang hukum optik baru-baru ini sebagai hasil karya James Clerk Maxwell dari Skotlandia, salah satu raksasa fisika di abad ke-19. Dalam arti tertentu, Maxwell adalah kebalikan dari Faraday. Jika Faraday memiliki pemahaman yang sangat baik tentang eksperimen, tetapi tidak memiliki pendidikan formal, maka Maxwell sezamannya adalah master matematika yang lebih tinggi. Dia menyelesaikan pelatihannya dalam fisika matematika dengan pujian di Cambridge, tempat Isaac Newton bekerja dua abad sebelumnya.
Newton menemukan kalkulus diferensial - ia menjelaskan dalam bahasa persamaan diferensial bagaimana objek terus-menerus mengalami perubahan kecil yang tak terhingga dalam ruang dan waktu. Pergerakan gelombang laut, cairan, gas, dan bola meriam semuanya dapat dijelaskan dalam persamaan diferensial. Maxwell mulai bekerja dengan tujuan yang jelas: untuk mengekspresikan penemuan revolusioner Faraday dan bidang fisiknya menggunakan persamaan diferensial yang tepat.
Maxwell memulai dengan pernyataan Faraday bahwa medan listrik dapat berubah menjadi magnet dan sebaliknya. Dia mengambil gambar bidang fisik yang digambar oleh Faraday dan menuliskannya dalam bahasa persamaan diferensial yang tepat. Hasilnya, salah satu sistem persamaan terpenting dalam sains modern diperoleh. Ini adalah sistem dari delapan persamaan diferensial dari jenis yang agak menyeramkan. Setiap fisikawan dan insinyur di dunia harus berkeringat pada mereka pada satu waktu, menguasai elektromagnetisme di institut tersebut.
Lebih lanjut, Maxwell bertanya pada dirinya sendiri pertanyaan yang menentukan: jika medan magnet dapat berubah menjadi medan listrik dan sebaliknya, lalu apa yang terjadi jika mereka terus-menerus berubah dari satu ke yang lain dalam serangkaian transformasi yang tak berujung? Maxwell menemukan bahwa medan elektromagnetik seperti itu akan menghasilkan gelombang seperti lautan. Dia menghitung kecepatan gerakan gelombang tersebut dan, yang membuatnya heran, menemukan bahwa itu sama dengan kecepatan cahaya! Pada tahun 1864, setelah menemukan fakta ini, ia secara nubuat menulis: "Kecepatan ini begitu dekat dengan kecepatan cahaya sehingga kita tampaknya punya banyak alasan untuk menyimpulkan bahwa cahaya itu sendiri … adalah gangguan elektromagnetik."
Penemuan ini, mungkin, menjadi salah satu yang terbesar dalam sejarah umat manusia - rahasia cahaya akhirnya terungkap! Maxwell tiba-tiba menyadari bahwa segala sesuatu - cahaya matahari terbit musim panas, dan sinar matahari terbenam yang ganas, dan warna pelangi yang menyilaukan, dan bintang-bintang di langit malam - dapat digambarkan menggunakan gelombang, yang dengan santai ia gambarkan di selembar kertas. Hari ini kita memahami bahwa seluruh spektrum elektromagnetik: sinyal radar, radiasi gelombang mikro dan gelombang televisi, inframerah, sinar tampak dan ultraviolet, sinar-X dan sinar gamma tidak lebih dari air Maxwellian; dan ini, pada gilirannya, mewakili getaran bidang fisik Faraday.
Berbicara tentang pentingnya persamaan Maxwell, Einstein menulis bahwa ini adalah "hal paling mendalam dan bermanfaat yang dialami fisika sejak zaman Newton".
(Tragisnya, Maxwell, salah satu fisikawan terbesar abad ke-19, meninggal cukup muda, pada usia 48 tahun, karena kanker perut - mungkin penyakit yang sama yang membunuh ibunya pada usia itu. Jika dia hidup lebih lama, dia mungkin berhasil akan menemukan bahwa persamaannya memungkinkan ruang-waktu terdistorsi, yang mengarah langsung ke teori relativitas Einstein. Gagasan bahwa jika Maxwell telah hidup lebih lama dan teori relativitas bisa muncul selama Perang Saudara Amerika sangat mengejutkan intinya.)
Teori cahaya Maxwell dan teori atom tentang struktur materi memberikan penjelasan sederhana tentang optik dan tembus pandang. Dalam benda padat, atom padat, sedangkan dalam cairan atau gas, jarak antar molekul jauh lebih besar. Kebanyakan padatan tidak tembus cahaya, karena sinar cahaya tidak dapat melewati serangkaian atom padat, yang bertindak sebagai dinding bata. Banyak cairan dan gas, di sisi lain, transparan, karena lebih mudah bagi cahaya untuk melewati atom-atom langka, yang jaraknya lebih besar daripada panjang gelombang cahaya tampak. Misalnya, air, alkohol, amonia, aseton, hidrogen peroksida, bensin, dan cairan lainnya bersifat transparan, begitu pula transparan dan gas seperti oksigen, hidrogen, nitrogen, karbon dioksida, metana, dll.
Ada beberapa pengecualian penting untuk aturan ini. Banyak kristal padat dan transparan. Tetapi atom-atom dalam kristal terletak di lokasi kisi spasial teratur dan membentuk baris teratur dengan interval yang sama di antara keduanya. Akibatnya, selalu ada banyak jalur dalam kisi kristal yang dapat dilewati sinar cahaya. Oleh karena itu, meskipun atom-atom dalam kristal tidak kalah padat dari padatan lainnya, cahaya masih dapat menembusnya.
Dalam keadaan tertentu, bahkan benda padat dengan atom yang berjarak acak dapat menjadi transparan. Untuk beberapa bahan, efek ini dapat dicapai dengan memanaskan objek ke suhu tinggi dan kemudian mendinginkannya dengan cepat. Misalnya, kaca adalah benda padat yang karena susunan atomnya acak, memiliki banyak sifat zat cair. Beberapa permen juga bisa dibuat transparan dengan cara ini.
Jelas, sifat tembus pandang muncul pada tingkat atom, menurut persamaan Maxwell, dan oleh karena itu sangat sulit, jika bukan tidak mungkin, untuk mereproduksinya dengan menggunakan metode konvensional. Untuk membuat Harry Potter tidak terlihat, dia harus dilikuidasi, direbus, dan diubah menjadi uap, dikristalisasi, dipanaskan, dan didinginkan - Anda harus setuju, tindakan apa pun ini akan sangat sulit bahkan untuk seorang penyihir.
Militer, yang tidak dapat membuat pesawat yang tidak terlihat, mencoba melakukan hal yang lebih sederhana: mereka menciptakan teknologi prasasti, yang membuat pesawat tidak terlihat oleh radar. Teknologi prasasti, berdasarkan persamaan Maxwell, melakukan serangkaian trik. Stele jet fighter mudah dilihat dengan mata telanjang, tetapi di layar radar musuh, gambarnya kira-kira seukuran burung besar. (Faktanya, teknologi stele adalah kombinasi dari beberapa trik yang sama sekali berbeda. Jika memungkinkan, bahan konstruksi pesawat tempur diganti dengan yang transparan radar: alih-alih baja, berbagai plastik dan resin digunakan; sudut badan pesawat berubah; desain nosel mesin, dll. semua trik ini bisa membuat pancaran radar musuh menghantam pesawat,tersebar ke segala arah dan tidak kembali ke perangkat penerima. Tetapi bahkan dengan teknologi ini, pesawat tempur tidak menjadi tidak terlihat sama sekali; itu hanya membelokkan dan menyebarkan pancaran radar sebanyak mungkin secara teknis.)
Metamaterial dan tembus pandang
Mungkin kemajuan terbaru yang paling menjanjikan dalam hal tembus pandang adalah material baru yang eksotis yang dikenal sebagai "metamaterial"; ada kemungkinan suatu hari nanti dia akan membuat objek benar-benar tidak terlihat. Memang lucu, tapi dulu keberadaan metamaterial juga dianggap mustahil, karena melanggar hukum optik. Namun pada tahun 2006, para peneliti dari Duke University di Durham, North Carolina dan Imperial College London berhasil menyangkal kebijaksanaan konvensional ini dan membuat objek tersebut tidak terlihat oleh radiasi gelombang mikro menggunakan metamaterial. Masih ada cukup banyak rintangan di jalan ini, tetapi untuk pertama kalinya dalam sejarah, umat manusia memiliki teknik yang memungkinkan benda-benda biasa tidak terlihat. (Penelitian ini didanai oleh DARPA, Badan Proyek Penelitian Lanjutan Pertahanan.)
Nathan Myhrvold, mantan kepala ahli teknologi di Microsoft, berpendapat bahwa kekuatan revolusioner metamaterial "akan sepenuhnya mengubah cara kita mendekati optik dan hampir setiap aspek elektronik … Beberapa metamaterial mampu melakukan hal yang akan tampak seperti keajaiban beberapa dekade yang lalu."
Apakah metamaterial itu? Ini adalah zat dengan sifat optik yang tidak ada di alam. Saat metamaterial dibuat, implan kecil tertanam dalam materi, memaksa gelombang elektromagnetik untuk mengambil jalur non-standar. Di Duke University, para ilmuwan telah menyisipkan banyak sirkuit listrik kecil ke dalam pita tembaga yang diletakkan dalam lingkaran konsentris datar (semuanya mirip pelat panas). Hasilnya adalah struktur kompleks yang terbuat dari keramik, teflon, serat komposit dan komponen logam. Implan kecil yang terdapat dalam tembaga memungkinkan untuk membelokkan radiasi gelombang mikro dan mengarahkannya ke jalur yang telah ditentukan. Bayangkan sebuah sungai mengalir di sekitar sebuah batu besar. Air memutar batu dengan sangat cepatoleh karena itu, kehadirannya di hilir tidak mempengaruhi dengan cara apa pun dan tidak mungkin untuk mengungkapkannya. Demikian pula, metamaterial mampu secara terus menerus mengubah rute gelombang mikro sehingga mereka mengalir di sekitar, katakanlah, silinder tertentu dan dengan demikian membuat segala sesuatu di dalam silinder ini tidak terlihat oleh gelombang radio. Jika metamaterial juga dapat menghilangkan semua pantulan dan bayangan, maka objek tersebut akan menjadi sama sekali tidak terlihat oleh bentuk radiasi ini.
Para ilmuwan telah berhasil mendemonstrasikan prinsip ini dengan perangkat yang terdiri dari sepuluh cincin fiberglass yang dilapisi dengan elemen tembaga. Cincin tembaga di dalam perangkat itu hampir tidak terlihat oleh radiasi gelombang mikro; itu hanya menimbulkan bayangan samar.
Sifat yang tidak biasa dari metamaterial didasarkan pada kemampuannya untuk mengontrol parameter yang dikenal sebagai "indeks bias". Refraksi - sifat cahaya untuk mengubah arah rambat saat melewati bahan transparan. Jika Anda memasukkan tangan Anda ke dalam air atau hanya melihat melalui lensa kacamata Anda, Anda akan melihat bahwa air dan kaca membelokkan dan merusak jalur sinar cahaya biasa.
Alasan defleksi berkas cahaya dalam kaca atau air adalah karena cahaya melambat saat memasuki material transparan yang padat. Kecepatan cahaya dalam ruang hampa yang ideal adalah konstan, tetapi dalam gelas atau air, cahaya "meremas" melalui sekelompok triliunan atom dan karenanya melambat. (Rasio kecepatan cahaya dalam ruang hampa dengan kecepatan cahaya dalam medium disebut indeks bias. Karena cahaya dalam medium apapun melambat, indeks bias selalu lebih besar dari satu.) Misalnya, indeks bias untuk ruang hampa adalah 1,00; untuk udara -1,0003; untuk glass-1.5; untuk berlian-2.4. Biasanya, semakin padat medium, semakin ia membelokkan berkas cahaya dan, karenanya, semakin tinggi indeks biasnya.
Mirage dapat berfungsi sebagai demonstrasi yang sangat jelas dari fenomena yang terkait dengan refraksi. Jika Anda, berkendara di sepanjang jalan raya di hari yang panas, menatap lurus ke cakrawala, maka jalan tersebut bagi Anda akan tampak berkilauan di beberapa tempat dan akan menciptakan ilusi permukaan air yang berkilauan. Di gurun, terkadang Anda dapat melihat garis besar kota dan pegunungan di kejauhan. Hal ini terjadi karena udara yang dipanaskan di atas dasar jalan atau pasir gurun memiliki kepadatan yang lebih rendah dan, karenanya, indeks bias lebih rendah daripada udara normal di sekitarnya yang lebih dingin; oleh karena itu, cahaya dari objek yang jauh dapat dibiaskan dalam lapisan udara yang dipanaskan dan kemudian masuk ke mata; ini memberi Anda ilusi bahwa Anda benar-benar melihat objek yang jauh.
Biasanya, indeks bias adalah nilai konstan. Seberkas cahaya sempit, menembus kaca, mengubah arah, lalu terus bergerak dalam garis lurus. Tetapi anggaplah sejenak kita dapat mengontrol indeks bias sehingga pada setiap titik kaca itu dapat terus berubah dengan cara tertentu, Cahaya, yang bergerak dalam bahan baru seperti itu, dapat berubah arah secara sewenang-wenang; jalur sinar di lingkungan ini akan berkelok-kelok seperti ular.
Jika dimungkinkan untuk mengontrol indeks bias dalam metamaterial sehingga cahaya membelok di sekitar objek tertentu, maka objek tersebut akan menjadi tidak terlihat. Untuk mendapatkan efek seperti itu, indeks bias dalam metamaterial harus negatif, tetapi buku teks tentang optik mengatakan bahwa ini tidak mungkin, (Metamaterial pertama kali diprediksi secara teoritis dalam karya fisikawan Soviet Viktor Veselago pada tahun 1967. Veselago-lah yang menunjukkan bahwa material ini pasti memiliki sifat optik yang tidak biasa seperti indeks bias negatif dan efek Doppler terbalik. Metamaterial tampak sangat aneh dan bahkan tidak masuk akal yang pada awalnya implementasi praktisnya dianggap tidak mungkin. Namun, dalam beberapa tahun terakhir, metamaterial masih diperoleh di laboratorium, yang memaksa fisikawan untuk mulai menulis ulang buku teks tentang optik.)
Peneliti yang berurusan dengan materi meta terus-menerus dibuat kesal oleh jurnalis dengan pertanyaan: kapan jubah gaib akhirnya akan muncul di pasaran? Jawabannya dapat dirumuskan dengan sangat sederhana: tidak segera.
David Smith dari Duke University mengatakan: “Reporter menelepon dan memohon setidaknya untuk tenggat waktu. Dalam berapa bulan atau, katakanlah, tahun itu akan terjadi. Mereka menekan, menekan dan menekan, dan pada akhirnya Anda tidak tahan dan mengatakan itu mungkin dalam lima belas tahun. Dan di sana - berita utama surat kabar, bukan? Lima belas tahun sebelum jubah Harry Potter. Itulah mengapa dia sekarang menolak menyebutkan tanggal apapun.
Penggemar Harry Potter atau Star Trek kemungkinan besar harus menunggu. Meskipun jubah tembus pandang yang sebenarnya tidak lagi bertentangan dengan hukum alam yang diketahui - seperti yang sekarang disetujui oleh sebagian besar fisikawan - masih banyak kendala teknis yang sulit untuk diatasi sebelum teknologi ini dapat diperluas untuk bekerja dengan cahaya tampak, dan tidak hanya dengan gelombang mikro radiasi.
Dalam kasus umum, dimensi struktur internal yang tertanam dalam metamaterial harus lebih kecil dari panjang gelombang radiasi. Misal, gelombang mikro bisa memiliki panjang gelombang orde 3 cm, jadi jika kita ingin metamaterial membengkokkan jalur gelombang mikro, kita harus memasukkan implan ke dalamnya yang lebih kecil dari 3 cm. Namun untuk membuat objek tidak terlihat oleh cahaya hijau (dengan panjang gelombang 500 nm), metamaterial seharusnya memiliki struktur yang tertanam dengan panjang hanya sekitar 50 nm. Tapi nanometer sudah menjadi skala atom, dan nanoteknologi diperlukan untuk bekerja dengan ukuran seperti itu. (Nanometer adalah satu miliar meter. Satu nanometer dapat menampung sekitar lima atom.) Mungkin inilah masalah utama yang harus kita hadapi saat membuat jubah tembus pandang yang sebenarnya. Untuk membungkuk sesuka hati, seperti ular, jalur berkas cahaya,kita harus memodifikasi atom individu di dalam metamaterial.
Metamaterial untuk cahaya tampak
Jadi balapan dimulai.
Segera setelah pengumuman penerimaan metamaterial pertama di laboratorium, aktivitas demam dimulai di area ini. Setiap beberapa bulan kami mendengar tentang wawasan revolusioner dan terobosan yang mengejutkan. Tujuannya jelas: untuk membuat metamaterial menggunakan nanoteknologi yang tidak hanya dapat membelokkan gelombang mikro, tetapi juga cahaya tampak. Beberapa pendekatan telah diusulkan, dan semuanya tampak cukup menjanjikan.
Salah satu usulannya adalah dengan menggunakan metode siap pakai, yaitu meminjam teknologi bekas industri mikroelektronik untuk produksi metamaterial. Misalnya, miniaturisasi komputer didasarkan pada teknologi "fotolitografi"; itu juga merupakan mesin revolusi komputer. Teknologi ini memungkinkan para insinyur untuk menempatkan ratusan juta transistor kecil pada wafer silikon seukuran thumbnail.
Kekuatan komputer berlipat ganda setiap 18 bulan (pola ini disebut Hukum Moore). Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa para ilmuwan dengan bantuan radiasi ultraviolet "mengetsa" semakin banyak komponen kecil pada chip silikon. Teknologi ini sangat mirip dengan proses di mana pola distensil ke kaus warna-warni. (Insinyur komputer mulai dengan substrat tipis, di mana lapisan-lapisan terbaik dari berbagai bahan dilapiskan di atasnya. Kemudian substrat ditutup dengan masker plastik yang bertindak sebagai templat. Pola kompleks dari konduktor, transistor, dan komponen komputer yang membentuk dasar diagram rangkaian telah diaplikasikan sebelumnya ke masker. Benda kerja disinari dengan sinar UV yang keras, yaitu, terkena radiasi ultraviolet dengan panjang gelombang yang sangat pendek;radiasi ini, seolah-olah, mentransfer pola matriks ke substrat yang peka cahaya. Kemudian benda kerja diolah dengan gas dan asam khusus, dan pola kompleks dari matriks tersebut diukir pada substrat di tempat di mana ia terkena radiasi ultraviolet. Hasil dari proses ini adalah sebuah pelat dengan ratusan juta lekukan kecil yang membentuk rangkaian transistor.) Saat ini, komponen terkecil yang dapat dibuat dengan menggunakan proses yang dijelaskan berukuran sekitar 30 nm (atau sekitar 150 atom). Hasil dari proses ini adalah sebuah pelat dengan ratusan juta lekukan kecil yang membentuk rangkaian transistor.) Saat ini, komponen terkecil yang dapat dibuat dengan menggunakan proses yang dijelaskan berukuran sekitar 30 nm (atau sekitar 150 atom). Hasil dari proses ini adalah sebuah pelat dengan ratusan juta lekukan kecil yang membentuk rangkaian transistor.) Saat ini, komponen terkecil yang dapat dibuat dengan menggunakan proses yang dijelaskan berukuran sekitar 30 nm (atau sekitar 150 atom).
Tonggak penting dalam perjalanan menuju tak terlihat adalah eksperimen baru-baru ini oleh sekelompok ilmuwan dari Jerman dan Departemen Energi AS, di mana proses pengetsaan substrat silikon digunakan untuk membuat metamaterial pertama yang mampu beroperasi dalam kisaran cahaya tampak. Pada awal 2007, para ilmuwan mengumumkan bahwa metamaterial yang mereka buat memengaruhi cahaya merah. Hal yang "tidak mungkin" dilaksanakan dalam waktu yang sangat singkat.
Fisikawan Kostas Sukulis dari Ames Laboratory dan Iowa State University, bersama Stephan Linden, Martin Wegener dan Gunnar Dolling dari University of Karlsruhe di Jerman, berhasil membuat metamaterial dengan indeks bias -0,6 untuk lampu merah dengan panjang gelombang 780 nm. (Sebelumnya, rekor dunia untuk panjang gelombang radiasi yang "dibungkus" dengan metamaterial adalah 1400 nm; ini tidak lagi terlihat, tetapi sinar infra merah.)
Pertama-tama, para ilmuwan mengambil selembar kaca dan mengoleskan lapisan tipis perak ke atasnya, lalu lapisan magnesium fluorida, kemudian lapisan perak; dengan demikian, diperoleh "sandwich" dengan fluorida dengan ketebalan hanya 100 nm. Para ilmuwan kemudian menggunakan teknologi etsa standar untuk membuat banyak lubang persegi kecil di sandwich ini (lebarnya hanya 100 nm, jauh lebih kecil dari panjang gelombang lampu merah); Hasilnya adalah struktur kisi yang menyerupai jaring ikan. Kemudian mereka melewati seberkas sinar merah melalui material yang dihasilkan dan mengukur indeks bias, yaitu -0,6.
Para penulis mengantisipasi bahwa teknologi yang mereka temukan akan digunakan secara luas. Metamaterial "suatu hari nanti bisa menghasilkan semacam superlens datar yang bekerja dalam spektrum yang terlihat," kata Dr. Sukulis. "Lensa ini akan memungkinkan Anda mendapatkan resolusi yang lebih tinggi daripada teknologi tradisional dan membedakan antara detail yang jauh lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya." Jelas, salah satu aplikasi pertama "superlens" adalah memotret objek mikroskopis dengan kejernihan yang belum pernah terjadi sebelumnya; kita bisa berbicara tentang memotret di dalam sel manusia yang hidup atau tentang mendiagnosis penyakit pada janin di dalam rahim. Idealnya, dimungkinkan untuk memotret komponen molekul DNA secara langsung, tanpa menggunakan teknik kristalografi sinar-X mentah.
Sejauh ini, para ilmuwan telah mampu menunjukkan indeks bias negatif hanya untuk lampu merah. Namun perlu dikembangkan metode tersebut, dan langkah selanjutnya adalah membuat metamaterial yang dapat sepenuhnya melingkari sinar merah di sekitar objek, sehingga tidak terlihat oleh cahaya merah.
Perkembangan lebih lanjut juga bisa diharapkan di bidang "kristal fotonik". Tujuan dari teknologi kristal fotonik adalah untuk membuat chip yang menggunakan cahaya sebagai pengganti listrik untuk memproses informasi. Idenya adalah menggunakan nanoteknologi untuk mengetsa komponen kecil ke substrat sehingga indeks bias berubah dengan setiap komponen. Transistor tempat kerja cahaya memiliki banyak keunggulan dibandingkan transistor elektronik. Misalnya, dalam kristal fotonik kehilangan panas jauh lebih sedikit. (Keripik silikon kompleks menghasilkan panas yang cukup untuk menggoreng telur. Agar tidak gagal, mereka harus terus didinginkan, yang harganya sangat mahal.)
Tidaklah mengherankan bahwa teknologi untuk menghasilkan kristal fotonik harus ideal untuk bahan meta, karena kedua teknologi tersebut melibatkan manipulasi indeks bias cahaya pada skala nano.
Gaib melalui plasmonik
Tidak ingin kalah dengan saingannya, sekelompok fisikawan lain mengumumkan pada pertengahan tahun 2007 penciptaan metamaterial yang mampu memutar cahaya tampak, berdasarkan teknologi yang sama sekali berbeda yang disebut plasmonik. Fisikawan Henri Lesek, Jennifer Dionne, dan Harry Atwater dari California Institute of Technology mengumumkan penciptaan metamaterial yang memiliki indeks bias negatif untuk wilayah biru-hijau yang lebih kompleks dari spektrum yang terlihat.
Tujuan dari plasmonik adalah untuk "memeras" cahaya dengan cara ini sehingga objek dapat dimanipulasi pada skala nano, terutama pada permukaan logam. Alasan konduktivitas listrik logam terletak pada kenyataan bahwa elektron dalam atom logam terikat lemah ke inti dan dapat dengan bebas bergerak di sepanjang permukaan kisi logam. Listrik yang mengalir melalui kabel-kabel di rumah Anda adalah aliran yang lancar dari elektron-elektron yang terikat secara longgar ini melintasi permukaan logam. Tetapi dalam kondisi tertentu, ketika seberkas cahaya menghantam permukaan logam, elektron dapat bergetar bersamaan dengan cahaya. Dalam hal ini, gerakan elektron seperti gelombang muncul di permukaan logam (gelombang ini disebut plasmon) seiring dengan osilasi medan elektromagnetik di atas logam. Lebih penting lagi, plasmon-plasmon ini dapat "dikompresi" sehingga memiliki frekuensi yang sama dengansebagai berkas cahaya asli (yang berarti mereka akan membawa informasi yang sama), tetapi panjang gelombangnya jauh lebih pendek. Pada prinsipnya, gelombang yang dikompresi ini kemudian dapat dipadatkan menjadi kawat nano. Seperti halnya kristal fotonik, tujuan akhir dari plasmonik adalah membuat chip komputer yang menjalankan cahaya, bukan listrik.
Sekelompok di California Tech membangun metamaterial mereka dengan dua lapisan perak dan lapisan isolasi silikon-nitrogen (hanya setebal 50 nm) di antara keduanya. Lapisan ini bertindak sebagai "pandu gelombang" yang mampu mengarahkan gelombang plasmon ke arah yang diinginkan. Sinar laser memasuki perangkat melalui potongan celah di metamaterial; itu melewati pandu gelombang dan kemudian keluar melalui celah kedua. Jika Anda menganalisis sudut bengkok sinar laser saat melewati metamaterial, Anda dapat menentukan bahwa material tersebut memiliki indeks bias negatif untuk cahaya dengan panjang gelombang tertentu.
Masa depan metamaterial
Kemajuan dalam studi metamaterial di masa depan akan semakin cepat karena alasan sederhana bahwa sudah ada banyak minat untuk membuat transistor yang bekerja pada berkas cahaya dan bukan listrik. Oleh karena itu, kita dapat mengasumsikan bahwa penelitian di bidang tembus pandang akan dapat "mengendarai kendaraan", yaitu memanfaatkan hasil penelitian yang sudah berjalan untuk membuat pengganti chip silikon dengan menggunakan kristal fotonik dan plasmonik. Saat ini, ratusan juta dolar telah diinvestasikan dalam pengembangan teknologi yang dirancang untuk menggantikan chip silikon, dan penelitian di bidang metamaterial juga akan menguntungkan.
Saat ini, penemuan besar baru di bidang ini dilakukan setiap beberapa bulan, jadi tidak mengherankan jika beberapa fisikawan mengharapkan sampel pertama dari perisai tembus pandang yang nyata muncul di laboratorium dalam beberapa dekade. Jadi, para ilmuwan yakin bahwa mereka akan mampu menciptakan metamaterial dalam beberapa tahun mendatang yang dapat membuat sebuah objek sama sekali tidak terlihat, setidaknya dalam dua dimensi, untuk cahaya tampak pada frekuensi tertentu. Untuk mencapai efek ini, perlu untuk memasukkan nanoimplants kecil ke dalam metamaterial bukan dalam baris biasa, tetapi dalam pola yang kompleks, sehingga sebagai hasilnya, cahaya membelok dengan mulus di sekitar objek yang tersembunyi.
Selanjutnya, para ilmuwan harus menemukan dan menciptakan metamaterial yang dapat membelokkan cahaya dalam tiga dimensi, tidak hanya pada permukaan datar dua dimensi. Fotolitografi adalah teknologi yang telah terbukti untuk memproduksi sirkuit silikon datar; pembuatan metamaterial tiga dimensi akan membutuhkan setidaknya pengaturan kompleks dari beberapa diagram datar.
Setelah itu, para ilmuwan harus memecahkan masalah pembuatan metamaterial yang membelokkan cahaya bukan dari satu frekuensi, tetapi dari beberapa - atau, katakanlah, sebuah pita frekuensi. Ini bisa dibilang tugas yang paling sulit, karena semua implan kecil yang dikembangkan sejauh ini hanya membelokkan cahaya dari satu frekuensi yang tepat. Ilmuwan mungkin harus menangani metamaterial berlapis-lapis, di mana setiap lapisan akan bekerja pada satu frekuensi tertentu. Belum jelas apa solusi untuk masalah ini.
Tapi perisai tembus pandang, bahkan setelah akhirnya dibuat di laboratorium, mungkin sama sekali bukan yang kita inginkan, kemungkinan besar, itu akan menjadi perangkat yang berat dan berat. Jubah Harry Potter dijahit dari kain tipis dan lembut dan membuat siapa pun yang membungkus diri di dalamnya tidak terlihat. Tetapi agar efek seperti itu menjadi mungkin, indeks bias di dalam jaringan harus terus berubah secara kompleks sesuai dengan getaran jaringan dan pergerakan orang tersebut. Ini tidak praktis. Kemungkinan besar, jubah tembus pandang, setidaknya pada awalnya, akan menjadi silinder metamaterial yang kokoh. Dalam hal ini, indeks bias di dalam silinder dapat dibuat konstan. (Pada model yang lebih maju, seiring waktu, metamaterial fleksibel dapat muncul yang dapat membelok dan pada saat yang sama menjaga cahaya di dalam dirinya pada jalur yang benar.siapa yang akan berada di dalam "jubah" akan mendapatkan kebebasan bergerak.)
Perisai tembus pandang memiliki satu kelemahan, yang telah berulang kali ditunjukkan: orang yang ada di dalam tidak dapat melihat keluar tanpa terlihat. Bayangkan Harry Potter dengan hanya matanya yang terlihat; sementara mereka tampak melayang di udara pada ketinggian yang sesuai. Setiap lubang mata pada jubah tembus pandang akan terlihat jelas dari luar. Jika Anda membuat Harry Potter benar-benar tidak terlihat, maka dia harus duduk membabi buta dan dalam kegelapan total di bawah jubahnya. (Salah satu solusi yang mungkin untuk masalah ini adalah dua gelas kecil di depan mata. Kacamata ini akan bertindak sebagai "pemecah sinar"; mereka akan mencubit dan mengarahkan sebagian kecil cahaya yang jatuh ke mata. Namun, sebagian besar cahaya yang jatuh pada jubah itu akan melewati, membuat orang itu tidak terlihat di dalam, tetapi beberapa, sangat kecil,bagian darinya akan terpisah dan masuk ke mata.)
Tidak diragukan lagi, hambatan untuk tidak terlihat sangat serius, tetapi para ilmuwan dan insinyur optimis dan percaya bahwa pelindung tembus pandang dari satu jenis atau lainnya dapat dibuat dalam beberapa dekade mendatang.
Gaib dan nanoteknologi
Seperti yang sudah saya sebutkan, kunci tembus pandang adalah pengembangan nanoteknologi, mis. kemampuan untuk memanipulasi struktur ukuran atom (sekitar satu miliar meter).
Momen lahirnya nanoteknologi disebut kuliah terkenal dengan judul ironis "Di dasar penuh ruang", yang disampaikan oleh peraih Nobel Richard Feynman di hadapan American Physical Society tahun 1959. Dalam kuliahnya kali ini ia berbicara tentang bagaimana mesin terkecil bisa terlihat seperti kami oleh hukum fisika. Feynman menyadari bahwa ukuran mesin akan semakin kecil hingga mendekati ukuran atom, dan kemudian atom itu sendiri dapat digunakan untuk membuat mesin baru. Dia menyimpulkan bahwa mesin atom paling sederhana seperti balok, tuas atau roda tidak bertentangan dengan hukum fisika, tetapi akan sangat sulit untuk membuatnya.
Selama bertahun-tahun, nanoteknologi telah layu dalam pelupaan - hanya karena teknologi pada masa itu tidak memungkinkan manipulasi atom individu. Tetapi pada tahun 1981, ada terobosan - fisikawan Gerd Binnig dan Heinrich Rohrer dari laboratorium IBM di Zurich menemukan mikroskop penerowongan pemindaian, yang kemudian memenangkan Hadiah Nobel dalam bidang fisika.
Para ilmuwan tiba-tiba bisa mendapatkan "gambar" yang menakjubkan dari masing-masing atom yang digabungkan menjadi struktur - persis sama seperti yang biasanya digambarkan dalam buku-buku tentang kimia; pada suatu waktu, kritikus teori atom menganggap hal ini tidak mungkin. Sekarang dimungkinkan untuk mendapatkan foto-foto atom yang luar biasa yang tersusun dalam barisan dalam struktur kristal atau logam yang benar. Rumus kimia yang digunakan para ilmuwan untuk merefleksikan struktur kompleks molekul sekarang dapat dilihat dengan mata telanjang. Selain itu, mikroskop penerowongan pemindai memungkinkan untuk memanipulasi atom individu. Para penemunya meletakkan huruf IBM dari atom individu, yang membuat sensasi nyata di dunia ilmiah. Ilmuwan tidak lagi buta dalam dunia atom individu; mereka dapat melihat dan bekerja dengan atom.
Prinsip operasi mikroskop penerowongan pemindaian tampak sederhana. Sama seperti gramofon memindai cakram dengan jarum, mikroskop ini perlahan melewati probe tajam di atas zat yang diteliti. (Ujung probe ini sangat tajam sehingga berakhir pada satu atom.) Probe membawa muatan listrik yang lemah; arus listrik mengalir dari ujungnya melalui bahan yang dipelajari ke permukaan konduktif di bawahnya. Ketika probe melewati masing-masing atom, arusnya sedikit berubah; perubahan arus dicatat dengan cermat. Naik turunnya arus ketika jarum melewati atom dengan sangat akurat dan secara rinci mencerminkan garis besarnya. Setelah diproses dan disajikan dalam bentuk grafik data tentang fluktuasi arus untuk sejumlah besar lintasan, Anda bisa mendapatkan gambaran indah dari atom-atom individu yang membentuk kisi spasial.
(Mikroskop penerowongan pemindai dapat eksis berkat hukum fisika kuantum yang aneh. Biasanya elektron tidak memiliki cukup energi untuk bergerak dari ujung probe ke substrat melalui lapisan materi. Tetapi, menurut prinsip ketidakpastian, ada kemungkinan kecil bahwa elektron "terowongan", yaitu elektron Artinya, mereka menembus penghalang, meskipun ini bertentangan dengan teori Newton. Itulah sebabnya arus yang melewati materi sangat sensitif terhadap efek kuantum halus di dalamnya. Nanti saya akan membahas konsekuensi teori kuantum secara lebih rinci.)
Selain itu, probe mikroskop cukup sensitif untuk memindahkan atom individu dan membangun "mesin" sederhana darinya. Saat ini, teknologi ini sangat maju sehingga Anda dapat melihat sekelompok atom di layar komputer dan, hanya dengan menggerakkan kursor, memindahkan atom individu dengan cara yang sewenang-wenang. Lusinan atom dapat dimanipulasi semudah batu bata Lego. Anda tidak hanya dapat meletakkan huruf dari atom, tetapi juga membuat mainan, seperti, misalnya, sempoa, tempat buku jari dirangkai dari atom tunggal. Untuk ini, atom diletakkan di atas permukaan yang dilengkapi dengan alur vertikal. Fullerene bulat ("bola sepak" yang terdiri dari atom karbon individu) dimasukkan ke dalam alur. Bola karbon ini berfungsi sebagai tulang akun atom, bergerak ke atas dan ke bawah alurnya.
Anda juga dapat memotong perangkat atom dengan berkas elektron. Misalnya, para ilmuwan dari Cornell University mengukir silikon kristal sebagai gitar terkecil di dunia, yang ukurannya 20 kali lebih kecil dari ketebalan rambut manusia. Gitar memiliki enam senar, masing-masing setebal seratus atom, yang dapat ditarik dengan mikroskop gaya atom. (Gitar memang akan memainkan musik, tetapi frekuensi yang dihasilkannya jauh di luar kemampuan mendengar telinga manusia.)
Saat ini, hampir semua "mesin nano" hanyalah mainan. Mesin yang lebih kompleks dengan roda gigi dan bantalan masih harus dibuat. Tetapi banyak insinyur yakin bahwa waktu untuk mesin atom yang sebenarnya sedang dalam perjalanan. (Di alam, mesin seperti itu ada. Organisme bersel tunggal dapat mengapung bebas di air karena pergerakan rambut-rambut kecil. Tetapi jika kita dengan cermat mempertimbangkan hubungan antara rambut dan sel, menjadi jelas bahwa mesin atomlah yang memungkinkan rambut bergerak sewenang-wenang ke segala arah. Oleh karena itu, salah satu cara mengembangkan nanoteknologi adalah tiruan alam, yang menguasai produksi mesin atom miliaran tahun yang lalu.)
Hologram dan tembus pandang
Cara lain untuk membuat seseorang agak tidak terlihat adalah dengan memotret pemandangan di belakangnya dan kemudian memproyeksikan gambar itu langsung ke pakaian orang itu atau semacam layar di depannya. Jika Anda melihat dari depan, tampaknya orang tersebut telah menjadi transparan dan cahaya entah bagaimana melewati tubuhnya.
Proses ini, yang dikenal sebagai "penyelubungan optik", telah dilakukan dengan serius, khususnya, oleh Naoki Kawakami dari Laboratorium Tachi di Universitas Tokyo. Dia mengatakan, "Teknologi ini dapat digunakan untuk membantu pilot melihat landasan pacu melalui lantai kokpit atau untuk membantu pengemudi melihat sekeliling saat parkir." Jubah Kawakami ditutupi manik-manik reflektif kecil yang berfungsi seperti layar film. Apa yang terjadi dari belakang difilmkan dengan kamera video. Gambar ini kemudian masuk ke proyektor video, yang, pada gilirannya, memproyeksikannya ke jubah di depan. Tampaknya cahaya menembus orang itu melalui dan melalui.
Prototipe jas hujan dengan sistem kamuflase optik telah dibuat di laboratorium. Jika Anda melihat langsung dari depan ke seseorang dengan jubah seperti itu, sepertinya dia menghilang, karena Anda hanya melihat gambaran tentang apa yang terjadi di belakang. Tetapi jika Anda, dan dengan mata Anda, bergerak sedikit, dan gambar di jubah tetap sama, akan menjadi jelas bahwa ini hanyalah tipuan. Dalam sistem penyelubungan optik yang lebih realistis, akan diperlukan untuk menciptakan ilusi gambar tiga dimensi. Ini akan membutuhkan hologram.
Hologram adalah gambar 3D yang dibuat oleh laser (bayangkan gambar 3D Putri Leia di Star Wars). Anda dapat membuat seseorang tidak terlihat jika Anda mengambil gambar latar belakangnya menggunakan kamera holografik khusus dan kemudian membuatnya kembali pada layar holografik khusus di depannya. Pengamat akan melihat layar holografik di depannya dengan gambar segala sesuatu yang sebenarnya ada di depan, kecuali seseorang. Ini akan terlihat seperti orang tersebut menghilang begitu saja. Sebagai gantinya akan ada gambar 3D latar belakang yang akurat. Bahkan setelah pindah, Anda tidak akan dapat memahami bahwa ada yang palsu di depan Anda.
Pembuatan gambar tiga dimensi seperti itu dimungkinkan karena "koherensi" sinar laser, mis. fakta bahwa osilasi elektromagnetik di dalamnya terjadi secara bersamaan. Untuk membuat hologram, sinar laser yang koheren dibagi menjadi dua bagian. Setengah diarahkan ke film fotografi, yang lain - ke film fotografi yang sama, tetapi setelah refleksi dari objek. Ketika dua bagian berkas mengganggu, pola interferensi muncul pada film, yang berisi semua informasi tentang berkas tiga dimensi asli. Film setelah pengembangan tidak terlihat sangat menjanjikan - hanya jaringan garis dan ikal yang tidak dapat dipahami yang terlihat di atasnya. Tetapi jika Anda melewatkan sinar laser melalui film ini, salinan tiga dimensi yang tepat dari objek tersebut muncul di udara, seolah-olah dengan sihir.
Namun demikian, tembus pandang holografik menimbulkan masalah yang sangat serius bagi para peneliti. Salah satunya adalah kreasi kamera holografik yang mampu mengambil setidaknya 30 gambar per detik. Lainnya adalah penyimpanan dan pemrosesan semua informasi ini. Terakhir, Anda perlu memproyeksikan gambar ke layar agar terlihat realistis.
Gaib melalui dimensi keempat
Cara lain yang jauh lebih licik untuk menjadi tidak terlihat harus disebutkan, seperti yang diuraikan oleh H. G. Wells dalam novel The Invisible Man. Metode ini melibatkan penggunaan kemampuan dimensi keempat. (Nanti dalam buku ini saya akan berbicara lebih banyak tentang kemungkinan keberadaan dimensi yang lebih tinggi.) Dapatkah seseorang meninggalkan alam semesta tiga dimensi kita dan melayang di atasnya di dimensi keempat, mengamati apa yang terjadi dari samping? Seperti kupu-kupu tiga dimensi yang terbang di atas selembar kertas dua dimensi, orang seperti itu tidak akan terlihat oleh penghuni alam semesta mana pun di bawah. Satu-satunya masalah adalah keberadaan dimensi yang lebih tinggi belum terbukti. Selain itu, perjalanan hipotetis ke salah satu dimensi ini akan membutuhkan lebih banyak energi daripada yang kita miliki saat ini pada keadaan seni kita saat ini. Jika kita berbicara tentang cara nyata untuk mencapai tembus pandang, maka metode ini jelas berada jauh di luar pengetahuan dan kemampuan kita saat ini.
Mengingat kemajuan luar biasa yang telah dibuat di jalan menuju tak terlihat, saya pikir kita dapat dengan aman mengklasifikasikannya sebagai ketidakmungkinan Kelas I. Gaib dalam satu jenis atau lainnya mungkin menjadi hal biasa dalam beberapa dekade mendatang, setidaknya pada akhir abad ini.
