Usynlighedskappe af krystal tryller store genstande væk
Et engelsk-dansk forskerhold har sammen udviklet den første usynlighedskappe nogensinde, der kan skjule ting, som er store nok til, at vi kan se dem med det blotte øje. Det udenlandske fagtidsskrift Physics World betegner det som et kæmpe gennembrud.
Den nye usynlighedskappe kan stadig kun skjule mønter, myrer og den slags småting, men vil ifølge forskerne på sigt også kunne skjule støre genstande, som fly og mennesker.(Illustration: Mette Friis-Mikkelsen)

Usynlighedskapper virker ikke længere kun på små dimser i den mikroskopiske verden, som vi i forvejen er afskåret fra at se.

Nu kan de også bruges på småkravl og håndgribelige ting i vores nærmiljø såsom sandkorn, myrer, knapper eller en mønt.

En engelsk-dansk forskergruppe bestående af fysikere fra University of Birmingham, Imperial College London samt DTU Fotonik har nemlig skabt en usynlighedskappe, der effektivt kan skjule så store objekter.


Forsker fra DTU er med

Fakta

Den nye usynlighedskappe er den største, der nogensinde er skabt i forhold til de bølgelængder, den dækker. Den kan skjule objekter af størrelsesordner, der er mindst tre gange så store som lysets bølgelængde.

Resultaterne fra studiet er netop publiceret i det førende videnskabelige tidsskrift Nature Communications, og de blev for kort tid siden hædret som et af de største videnskabelige gennembrud i 2010 af fagtidsskriftet Physics World.

»Denne usynlighedskappe opfylder en lægmands definition af en usynlighedskappe. Kappens effekt kan nemlig direkte observeres uden at man behøver at bruge et mikroskop,« siger postdoc Jingjing Zhang fra DTU Fotonik.

Hun fortæller, at der er mange kritikere, som mener, at det er urealistisk at forestille sig, at man kunne lave usynlighedskapper, der kunne skjule store objekter og som virkede på synligt lys. De insisterer på, at en kappe aldrig kommer til at blive realiseret på makroskopisk skala i den verden, som er synlig for os.

»Vores gennembrud dokumenterer, at der ikke er hold i deres argumenter. Vores kappe har potentiale til på sigt at kunne anvendes inden for alle områder, hvor der er brug for at camouflere genstande. Det gælder både i militære sammenhænge såvel som i vores dagligdag,« siger hun. 

Fremstillet af simple og billige materialer

Indtil i dag har forskere forsøgt at skjule ting ved at bruge såkaldte metamaterialer, der er kunstigt skabte og meget komplekse strukturer med nogle virkeligt sære fysiske egenskaber.

Usynlighedskappen består af calciumcarbonat, som er et naturligt forekommende krystal.

Et metamateriale, der omslutter en genstand, vil f.eks. ikke reflektere noget lys men derimod nænsomt guide det uden om genstanden, så det kan fortsætte sin rejse som om intet var hændt. En person, der står foran genstanden, vil derfor ikke modtage noget reflekteret lys fra genstanden, som derfor er usynlig.

Metamaterialerne har det store problem, at man kun har fået dem til at virke på infrarødt lys samt mikrobølger, som ikke er synlige for os og oven i købet kun på genstande, der er mikroskopisk små. Så de usynlighedskapper, der hidtil er blevet fremstillet, har altså kun demonstreret tankegangen bag usynlighedsteknologi, men har derudover ikke rigtigt kunnet bruges til noget fornuftigt.

Hus med et hemmeligt rum
 

Men nu er gennembruddet så endelig kommet. Den nye usynlighedskappe, som det engelsk-danske forskerteam har udviklet, virker på en fundamentalt anderledes måde, end dem, som hidtil er blevet fremstillet.

Det engelsk-danske forskerteam har skabt en kappe, der består af det naturligt forekommende mineral calciumkarbonat, som både er nemt at arbejde med og som oven i købet er billigt.

Usynlighedskappen er sammensat af to calciumkarbonat-krystaller. Under kappen er der et hulrum, der er to og en halv centimeter bredt og 1,2 millimeter højt.

Mens de gamle metamaterialer dirigerede lyset rundt på sin overflade, lader den nye usynlighedskappe lyset trænge igennem overfladen og ned i krystallen, der afbøjer lyset en smule.

Mineralets krystaller har mange kanter og flader, som bøjer en lysstråle i forskellige retninger afhængigt af, hvordan lyset falder på dem.

Burde virke på vilkårligt store objekter

Bunden af krystallen, der ligger oven over den genstand, som man gerne vil skjule, virker som et spejl, der reflekterer lyset og sender det videre over i krystal nummer to, som skyder lyset ud af krystallen igen. Lyset kommer derfor slet ikke i berøring med genstanden i det hemmelige rum, der ligger gemt under krystallernes bund.

»For en person, der kigger på det hele udefra, vil derfor ikke se andet end en plan overflade. Genstanden under krystallerne er derfor skjult,« siger Jingjing Zhang.

Hun og hendes kolleger har hidtil måttet nøjes med at forsøge at skjule en lille metaldims, der lige akkurat kan være der i hulrummet under kappen.

Men teamet håber på, at det på sigt kan lave kapper af krystaller, der kan rumme betydeligt større objekter.

»I princippet kan denne form for usynlighedskappe udvides til vilkårligt store genstande, da den er skabt af gennemsigtige materialer, der ikke tapper lyset for energi. Den eneste faktor, der begrænser hvor store objekter, vi kan skjule, er krystallernes størrelse, da vi har brug for to hele stykker krystaller af calciumcarbonat til at lave en kappe,« siger hun.
 

Fakta

Usynlighedskappen virker kun for polariseret lys.

Kapløb med amerikansk forskergruppe

En amerikansk forskergruppe fra MIT har uafhængigt af det engelsk-danske team udviklet en usynlighedskappe efter præcis samme idé. Deres resultater er publiceret i det videnskabelige tidsskrift Physical Review Letters, som også er et velrenomeret tidsskrift.

Begge grupper er blevet inspireret af et kinesisk studie fra 2009, der teoretisk viste, at det burde kunne lade sig gøre at fremstille usynlighedskapper, som er baseret på ensartede materialer frem for komplekse og sammensatte metamaterialer.

Begge forskergrupper har satset på at fremstille en kappe af calciumcarbonat, hvilket så er lykkes. 

Sådan virker usynlighedskappen

Den nye makroskopiske usynlighedskåbe består af to trekantede krystaller af calciumcarbonat, som er limet sammen. I bunden af kappen er der en lille trekantet fordybning, der kan rumme en lille genstand.

Kappen er i stand til optisk at få trekantede ting til at fremstå som en flad overflade for synligt lys, fordi kappen behændigt guider lyset rundt om genstanden, så det ikke bliver spredt af den. En person, der ser det hele udefra, kan derfor ikke se genstanden, men ser blot en plan overflade.

Kappen indeholder altså en form for skjult kammer, der kan rumme ting, som er to og en halv centimeter bredde og 1,2 mm høje.