新的超材料：光在控制之下

许多关于“超材料”的报道（在引号中，因为定义开始模糊）使我们认为它们几乎是解决现代技术世界面临的所有问题、痛苦和限制的灵丹妙药。 最近最有趣的概念涉及光学计算机和虚拟现实。

关于 未来的假想计算机例如，可以引用特拉维夫以色列 TAU 大学专家的研究。 他们正在设计用于制造光学计算机的多层纳米材料。 反过来，瑞士保罗谢勒研究所的研究人员用十亿个微型磁铁制造了一种三相物质，这些磁铁能够 模拟三种聚合状态，以水为例。

它可以用来做什么？ 以色列人想要建造。 瑞士人谈论数据传输和记录，以及一般的自旋电子学。

一种由模拟水的三种状态的微型磁铁制成的三相超材料。

按需光子

能源部劳伦斯伯克利国家实验室的科学家们的研究可能会导致基于超材料的光学计算机的发展。 他们提议创建一种激光框架，可以在某个地方捕获某些原子包，创建一个严格设计、控制的 基于光的结构. 它类似于天然水晶。 有一个区别 - 它几乎是完美的，在天然材料中没有观察到任何缺陷。

科学家们认为，他们不仅能够严格控制原子团在其“光晶体”中的位置，而且还可以使用另一种激光（近红外范围）积极影响单个原子的行为。 例如，它们将使它们按需发射一定的能量——即使是单个光子，当从晶体中的一个位置移除时，它可以作用于另一个被困在另一个位置的原子。 这将是一种简单的信息交换。

以受控方式快速释放光子并将其从一个原子转移到另一个原子而几乎没有损失的能力是量子计算的重要信息处理步骤。 可以想象使用整个受控光子阵列来执行非常复杂的计算——比使用现代计算机要快得多。 嵌入人造晶体中的原子也可以从一个地方跳到另一个地方。 在这种情况下，它们本身将成为量子计算机中的信息载体，或者可以创建量子传感器。

科学家们发现铷原子非常适合它们的用途。 然而，钡、钙或铯原子也可以被人造激光晶体捕获，因为它们具有相似的能级。 为了在真正的实验中制造所提出的超材料，研究团队必须在人造晶格中捕获一些原子，并且即使在被激发到更高能量状态时也将它们保留在那里。

没有光学缺陷的虚拟现实

超材料可以在另一个发展中的技术领域找到有用的应用——。 虚拟现实有许多不同的限制。 我们已知的光学缺陷起着重要作用。 建立一个完美的光学系统实际上是不可能的，因为总是存在所谓的像差，即各种因素造成的波形失真。 我们知道球差和色差、散光、彗差以及许多其他光学器件的不利影响。 任何使用过虚拟现实装置的人都必须处理过这些现象。 不可能设计出重量轻、产生高质量图像、没有可见彩虹（色差）、视野开阔且价格便宜的 VR 光学器件。 这简直是​​不真实的。

这就是 VR 设备制造商 Oculus 和 HTC 使用所谓的菲涅耳透镜的原因。 这使您可以显着减轻重量，消除色差并获得相对较低的价格（生产此类镜头的材料很便宜）。 不幸的是，折射环导致 w 菲涅耳透镜 对比度显着下降并产生离心发光，这在场景具有高对比度（黑色背景）的情况下尤其明显。

然而，最近由 Federico Capasso 领导的哈佛大学科学家设法开发出 使用超材料的薄而扁平的透镜. 玻璃上的纳米结构层比人的头发还薄（0,002 毫米）。 它不仅没有典型的缺点，而且还提供比昂贵的光学系统更好的图像质量。

Capasso 透镜与弯曲和散射光的典型凸透镜不同，它通过沉积在石英玻璃上的从表面突出的微观结构来改变光波的特性。 每个这样的壁架都会以不同的方式折射光线，从而改变其方向。 因此，重要的是正确分布这种由计算机设计和使用类似于计算机处理器的方法生产的纳米结构（图案）。 这意味着这种类型的镜头可以使用已知的制造工艺在与以前相同的工厂中生产。 二氧化钛用于溅射。

值得一提的是“元光学”的另一个创新解决方案。 超材料超透镜在布法罗美国大学拍摄。 第一个版本的超透镜由银和介电材料制成，但它们只能在非常窄的波长范围内工作。 布法罗科学家在热塑性塑料外壳中使用了同心排列的金棒。 它在可见光波长范围内工作。 研究人员以医用内窥镜为例说明了新解决方案带来的分辨率提高。 它通常可以识别高达 10 纳米的物体，在安装超透镜后，它会“下降”到 250 纳米。 该设计克服了衍射问题，这是一种显着降低光学系统分辨率的现象 - 它们不是波失真，而是被转换为可以在后续光学设备中记录的波。

根据 Nature Communications 上的一篇文章，这种方法可用于许多领域，从医学到单分子观察。 等待基于超材料的具体设备是合适的。 也许他们会让虚拟现实最终获得真正的成功。 至于“光学计算机”，这些仍然是相当遥远和模糊的前景。 不过，也不能排除什么...