Het vermogen om een ​​willekeurig object met een mantel op afstand van het object te verbergen is een unieke taak in fotonica-onderzoek, hoewel het fenomeen in de praktijk nog moet worden gerealiseerd. In een recente studie die nu is gepubliceerd in Licht:wetenschap en toepassingen , Tianhang Chen en medewerkers van het Key laboratorium van Micro-Nano Electronics and Smart Systems, en het State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation in China stelden de eerste experimentele realisatie voor van een verhulapparaat op afstand. Het apparaat kan elk object dat zich op een bepaalde afstand bevindt onzichtbaar maken met behulp van een gelijkstroomfrequentie (DC).

Ze bevatten een negatief weerstandsnetwerk met actieve elementen om de externe functie van de DC-mantel te bereiken. Op basis van het netwerk, Chen et al. in staat waren om op afstand een verborgen gebied te genereren met behulp van de mantel, zonder de stromingen ver van het verhulde gebied te verstoren, zodat het object kon blijven interageren met zijn omgeving. Het werk toonde aan dat elk object in het verborgen gebied onzichtbaar was voor een DC-detector en dat de mantel geen voorkennis van het object vereiste, waardoor het een willekeurig object kon verbergen. De wetenschappers toonden de superioriteit van het verhulapparaat op afstand voor mogelijke toekomstige toepassingen in medisch of geologisch onderzoek.

Transformatie-optica kan worden gebruikt om een ​​mantel te ontwerpen die elektromagnetische golven leidt om het verhulde gebied zonder enige verstoring te omzeilen. Eerder onderzoek naar mantels en illusie-apparaten betrof het omsluiten van het apparaat, het voorkomen van de interactie met de externe omgeving, ook. Om dit probleem op te lossen, wetenschappers stelden een externe mantel voor die een object van een afstand kon verbergen, gebaseerd op het concept van een 'anti-object, ' waar verstrooiing van het verborgen object werd opgeheven door het 'anti-object'. De resultaten zijn op afstand verkregen, terwijl het verborgen object de continuïteit van de ruimte met de achtergrondomgeving behield. Echter, deze 'anti-object'-mantel is alleen ontworpen voor een verborgen object met bekende afmetingen of parameters, daarom, kleine veranderingen in objectgrootte, vorm en zijn positie verslechterde het exacte herstel van het incidentveld. Het 'anti-object' kan daarom geen willekeurige objecten verbergen zoals een conventionele mantel dat kan.

Om deze beperking te overwinnen, wetenschappers stelden eerder een meervoudige transformatie-optiekmethode voor om verhuling op afstand te ontwerpen om objecten met willekeurige vormen te verbergen. Nog, dergelijke ontwerpen vereisten dubbel-negatieve materialen die zeer moeilijk te realiseren zijn. Als resultaat, het op afstand verbergen van willekeurige objecten bevindt zich nog in een conceptueel stadium en moet nog experimenteel worden aangetoond. In de huidige studie, Chen et al. stelde de eerste experimentele realisatie voor van een verhulapparaat op afstand om een ​​willekeurig object te verbergen met een mantel met behulp van gelijkstroomfrequentie. Ze ontwierpen het externe DC-cloaking-apparaat met meervoudig gevouwen transformatie-optiek en realiseerden een negatief weerstandsnetwerk met actieve elementen om een ​​belangrijke rol te spelen bij het implementeren van de externe functie van de DC-mantel. De mantel kan op afstand een verborgen gebied genereren zonder de stroom te verstoren. De wetenschappers lieten zien hoe verschillende objecten in het verborgen gebied onzichtbaar waren.

In de proefopstelling is Chen et al. vergeleek twee soorten verhulling; inclusief een gesloten, conventionele verhulling en verhulling op afstand op DC-frequentie. Een mantel op afstand kan worden geconstrueerd met één element of met meerdere elementen, en de studie gebruikte twee elementen als voorbeeld. De wetenschappers transformeerden eerst de vrije ruimte in een vierkante mantel, gevolgd door een tweede transformatie om de vierkante mantel te vouwen om hem te openen. Het verborgen gebied in het huidige werk behield nog steeds ruimtecontinuïteit met de achtergrondomgeving, terwijl het volledig geïsoleerd is van buiten de huidige velden, waardoor elk willekeurig statisch object in het verborgen gebied vrij binnen het gebied kan bewegen terwijl het onzichtbaar blijft. Het fenomeen gerapporteerd door Chen et al. verschilde volledig van eerdere DC-mantels, waarbij de prestatie van de mantel afhing van de vorm en geleidbaarheid van het verborgen object.

De wetenschappers voerden simulaties uit van de mantel met de eindige-elementenmethode-analyse met behulp van COMSOL Multiphysics-software. De gesimuleerde stroom vloeide van de puntbron door de mantel. Chen et al. gebruikte een constante stroombron in de rechterbovenhoek van de simulatie en simuleerde de potentiaalverdeling waar stroom uit een puntbron stroomde in drie verschillende scenario's. Om de objectonafhankelijke prestaties van de mantel te verifiëren, Chen et al. testte twee extra verborgen objecten; een vierkante isolator en een ronde geleider. Ze maten de elektrische potentiaal in vergelijking met de gevallen van de achtergrond en het object alleen, voor uitstekende overeenstemming tussen de twee; wat aangeeft dat de verhullingsprestaties onafhankelijk waren van de grootte en vorm van het object.

Om het omnidirectionele effect van de externe mantel aan te tonen, Chen et al. simuleerden de constante stroombron in een andere positie ten opzichte van de mantel, en het verhulapparaat werkte nog steeds zoals verwacht. Echter, ze toonden aan dat wanneer de afstand tussen de mantel en het object groter werd, de mantel omvatte meer negatieve parameters. Overeenkomstig, de computationele complexiteit en het geheugenverbruik namen ook toe in de simulatie. In totaal, de simulaties die in het onderzoek werden gegenereerd, leverden een voorbeeld om het concept van de externe mantel te verifiëren.

Om het concept experimenteel te demonstreren, Chen et al. ontwierp en vervaardigde het monster van de mantel op afstand. De mantel vereiste anisotrope en negatieve geleidbaarheid om de complexe media te realiseren. De wetenschappers gebruikten "op mesh gebaseerde" transformatie-optica om anisotrope geleidbaarheid te ontwerpen, terwijl een negatief medium met actieve elementen wordt gebruikt om negatieve geleidbaarheid te ontwerpen. Ze merkten op dat het DC-materiaal met negatieve geleidbaarheid een potentiële 'stijging' opleverde wanneer de stroom door het materiaal ging. Bij gelijkstroomfrequentie, de weerstand en bron kunnen worden gecombineerd en vereenvoudigd tot een enkele bron met een voeding. Om dergelijke effectieve negatieve media praktisch te realiseren, de wetenschappers zorgden voor het vereiste elektrische potentieel met een spanningsvolger. Om de experimenten praktisch uit te voeren, ze pasten vier printplaten toe om de negatieve weerstanden te vervullen.

Om de prestaties van het apparaat te controleren, de wetenschappers fabriceerden de hele printplaat met een afmeting van 60 x 60 cm en bereikten de vereiste elektrische geleidbaarheid met SMD-weerstanden (Surface Mounted Device). Vervolgens ontwierpen ze de negatieve media, verhuld object en grensafstemming met onafhankelijke printplaten gescheiden van het moederbord voor gemakkelijke vervanging. De wetenschappers maten de resultaten voor drie verschillende verborgen objecten, inclusief een ronde geleider en vierkante isolator. Bij de resultaten, de equipotentiaallijnen leken "rond" alsof er niets was, om aan te geven dat de experimentele opzet in de praktijk goed werkte. Het resultaat was mogelijk omdat de experimentele opstelling de vervorming, veroorzaakt door de verschillende verborgen objecten, annuleerde om een ​​goede verhulfunctionaliteit aan te geven. Het resultaat werd verder versterkt toen Chen et al. analyseerde het elektrische potentiaalverval van de bron voor de drie experimenten, waar de resultaten goed overeenkwamen met de achtergrond zonder object. De prestaties van de voorgestelde externe mantel waren onafhankelijk van het object.

Op deze manier, Chen et al. heeft experimenteel een externe mantel gedemonstreerd die voor het eerst voor willekeurige objecten op afstand werkte met behulp van DC-frequentie. Omdat de elektronische componenten die ze gebruikten statische DC-elementen waren, de mantel was veel stabieler dan die ontworpen met hoge frequenties. Het belangrijkste is, de mantel was in staat om elektrische stromen rond een verborgen object te geleiden met behulp van actieve elementen, aangezien het object een fysieke verbinding met zijn omgeving behield. Bijvoorbeeld, dergelijke willekeurige objecten kunnen ondergronds worden begraven met een verhullingsapparaat dat op afstand op het object wordt geplaatst vanwege zijn onzichtbaarheid onder geologische stroomsensoren voor toepassingen in geologisch onderzoek. In aanvulling, de mantel kan potentiële toepassingen in de geneeskunde hebben om interferentie met geïmplanteerde apparaten te voorkomen in levende lijve.

© 2019 Wetenschap X Netwerk