näkymättömyys

Tutkijat kehittivät näkymättömyysviitan – toimii vain infrapuna-alueella

Pe, 03/30/2018 - 16:37 Markus Hotakainen

Mitä yhteistä on Hollywood-leffojen dinoilla ja pääjalkaisiin lukeutuvilla kalmareilla? Ne pystyvät katoamaan hetkessä.

Kalifornian yliopistossa Irvinessä on kehitetty materiaali, joka muuttuu tarvittaessa näkymättömäksi. Ihan vielä ei ole päästy tieteistarinoiden "oikeaan" näkymättömyyteen, sillä tutkijoiden kehittämä ohut kalvo toimii vain infrapuna- eli lämpösäteilyn aallonpituuksilla.

"Periaatteessa olemme keksineet pehmeän materiaalin, joka heijastaa lämpöä samalla tavalla kuin kalmarin iho heijastaa valoa", toteaa tutkimusta johtanut professori Alon Gorodetsky (kuvassa vasemmalla).

"Se muuttuu ryppyisestä ja mattapintaisesta sileäksi ja kiiltäväksi, jolloin myös sen lämmönheijastuskyky muuttuu."

Muutos kestää alle sekunnin ja se tapahtuu venyttämällä materiaalia tai johtamalla siihen sähkövirtaa. Pinta muuttuu hetkessä näkymättömäksi infrapuna-aallonpituuksilla.

Keksintö voi tuntua turhalta, koska infrapunasäteily on ylipäätään ihmissilmälle näkymätöntä. Pimeänäkölaitteet ovat kuitenkin olleet sotilaallisessa käytössä jo pitkään. Uusi materiaali vie niiden toiminnalta pohjan, sillä sen avulla joukot voivat "naamioitua" myös lämpösäteilyn aallonpituuksilla.

Sotilaskäyttö ei kuitenkaan ole uudenlaisen materiaalin ainoa sovellusalue. Muuttuvista infrapuna-alueen heijastusominaisuuksista on hyötyä myös esimerkiksi avaruusalusten eristeissä, varasto- ja suojatiloissa sekä rakennusten lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmissä.

Materiaali on rakenteeltaan yksinkertaista, sillä se muodostuu alumiini-, muovi- ja teippikerroksista. Tutkijoiden seuraavana tavoitteena on kehittää prototyypeistä isompia versioita, joita voidaan kokeilla erilaisissa käyttökohteissa.

Uudesta "ihmeaineesta" kerrottiin UCI:n uutissivuilla ja tutkimus on julkaistu Science-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Steve Zylius/UCI

Video: Akatemiaprofessori Matti Lassas on salapoliisi ja pohtii näkymättömyysviittaa

Heti juttutuokiomme aluksi akatemiaprofessori Matti Lassas haluaa repiä rahaa, mutta tyytyy tavalliseen sanomalehtipaperiin.

Syynä repimisintoon on hänen tämänhetkinen tutkimushankkeensa, missä tutkitaan matematiikan avulla paperia ja pystytään paljastamaan väärät setelit juuri paperin avulla.

"Tutkimme valkoista kohinaa, tai tarkemmin sanottuna satunnaiskentän parametrien estimointia datan avulla", selittää Lassas ja jatkaa selitystä näyttämällä konkreettisesti, mistä on kyse. Hän valaisee paperia edessään laserosoittimella, jolloin valopisteen ympärillä oleva paperi hohtaa sumumaisena pilvenä.

"Tämä sumuuntunut piste on paperin sormenjälki, koska kun jokainen kohinan pikseli muutetaan matemaattiseksi funktioksi ja ne mallinnetaan, on tuloksena jokaiselle paperilaadulle ominainen malli. Paperia voi tutkia myös kohtalaisen tarkasti yksinkertaisesti sitä repimällä, sillä se, miten paperi repeää, kertoo siitä, sen koostumuksesta ja tekotavasta paljon.”

Tämän osoittamiseen Lassas ottaa sanomalehden, ja repii sen sivun hitaasti kahtia.

"Sanomalehtipaperin syyt ovat vain yhteen suuntaan, eli se on hyvin suunnistunutta siksi, että paperi on mennyt paperikoneen läpi ja paperi on varsin erilaista paperikoneen suunnassa ja poikkisuunnassa."

Setelipaperi on hienompaa, eikä siinä ole sanomalehtipaperiin verrattavia syitä. Sen sijaan laservalon avulla valaistaessa siitäkin paljastuu sen oma rakenne. "Siinä näkyy pieniä laikkuja ja myös pienet syyt. Kun niitä analysoidaan matemaattisesti, voidaan päätellä, mistä paperi on peräisin. Paperi, mille setelit painetaan, on erilaista eri maissa ja jopa eri paperikoneissa."

Kyseessä on yksinkertainen ainetta tuhoamaton tutkimus, eli tässä tapauksessa paperia voidaan tutkia hyvinkin tarkasti ilman, että paperia täytyy rikkoa.

"Kiinnostavaa kyllä, muun muassa pörssikurssit noudattavat samanlaisia lakeja kuin paperin kuitujen vaihtelut vaaka- ja pystysuunnassa. Voimme laskea pörssikurssien volatiliteettia samaan tapaan kuin päätellä paperin alkuperää. Tämä matematiikan universaalisuus on kiehtovaa!"

Tieteiskirjallisuudesta salapoliisimatematiikan pariin

Lassas kertoo aloittaneensa matematiikan opintonsa puhtaan, teoreettisen matematiikan parissa, sillä häntä kiinnostivat ennen kaikkea lukujen ominaisuudet.

"Ajattelin, että mitä vähemmän tekemistä sovellusten kanssa, sitä parempi. Mutta kun törmäsin matematiikan erilaisiin sovelluksiin ja huomasin, että kaikkialla ympärilläni oli hyvin samankaltaista matematiikkaa, niin siirryin askel askeleelta lähemmäksi sovelluksia."

Aivan alussa oli kuitenkin tieteiskirjallisuus, mikä houkutti epäsuorasti Lassaksen matematiikan pariin. Koska scifi-kirjoissa oli paljon fysiikkaa, hän halusi opiskella sitä tarkemmin. Fysiikassa ei kuitenkaan päässyt eteenpäin ilman matematiikkaa, joten tuleva akatemiaprofessori meni kesämökkipaikkakuntansa kunnankirjastoon ja luki sen matematiikan osaston läpi.

"Päätin, että haluan opiskella tätä yliopistossa. Vaikka innostukseni heräsi fysiikan soveltavan matematiikan kautta, imaisi puhdas matematiikka minut siinä määrin mukaansa, että halusin opiskella juuri sitä."

Varsin pian painopiste alkoi kuitenkin siirtyä jälleen sovellusten pariin. Erityisesti Lassas on kiinnostunut niin sanotuista inversio-ongelmista, käänteisongelmista, jotka ovat takana lähes kaikissa hänen tutkimissaan ongelmissa.

"Käänteinen ongelma on sitten nimensä mukaisesti päinvastainen. Se tarkoittaa sitä, että meillä on lopputulos, ja koetamme ymmärtää, miten se on saatu aikaan."

Hyvä esimerkki on maapallon painovoimakenttä. Jos tuntisimme täsmälleen planeettamme rakenteen, olisi mahdollista laskea painovoimalakien avulla, kuinka voimakkaasti Maa vetää meitä puoleensa kussakin paikassa pinnalla. Vetovoimassa on pieniä paikallisia vaihteluita sen mukaan, millainen on maapallon rakenne alapuolella, pinnan alla – erot ovat hyvin pieniä, mutta selvästi mitattavissa.

"Emme kuitenkaan tiedä täsmälleen maapallon rakennetta, mutta voimme mitata ja kartoittaa hyvinkin tarkasti, mikä on vetovoima missäkin kohdassa maapallon pinnalla. Ja näiden havaintojen perustella voimme laskea, millainen maapallon rakenne tuottaisi meille havaitut arvot. Tähän liittyy viime aikoina tehty maanjäristysaaltojen kulkuaikojen analyysi. Tämän avulla voitu päätellä huiman tarkasti Maan ja erityisesti Maan pintakerroksen kolmiulotteinen rakenne."

Nykyaikainen lääketieteellinen kuvantaminen on pitkälti samanlaista. Tietokonetomografiassa otetaan ihmisestä eri puolilta röntgenkuvia ja niiden avulla lasketaan, millainen on ihmisen kolmiulotteinen sisärakenne.

"Olemme tehneet yhteistyötä muun muassa hammaslääkärien kanssa ja onnistuneet kehittämään laskentamalleja, joiden ansiosta suun ja suun alueen hermojen rakenteen yksityiskohdat näkyvät aiempaa paremmin. Näin kuvannus voidaan tehdä vähemmillä röntgenkuvilla ja siten potilaan saama säteilyannos pienenee olennaisesti."

Toinen konkreettinen esimerkki inversio-ongelmamatematiikasta arkikäytössä on ilmakehätutkimus. Eri menetelmin voidaan havaita esimerkiksi ilmassa olevan hiilidioksidin määrä ja jakautuma, ja matematiikan avulla pystytään paljastamaan hiilidioksidin lähteet ja nielut: missä hiilidioksidia syntyy ja missä sitä absorboituu pois.

Lisää esimerkkejä tutkimusaloista, joissa saadaan tietoa epäsuorasti tai havainnot ovat epätäydellisiä, on vaikka kuinka. Lassaksen tutkimusryhmä on muun muassa auttanut malminetsijöitä, vesivarojen kartoittajia ja kosmologeja työssään.

"Taustasäteilyn tutkimus on todella kiinnostavaa ja minulle se on vähän paluuta tieteiskirjallisuuden pariin. Voimme nimittäin saada taivaan taustasäteilyssä olevista pienistä vaihteluista tietoa siitä, millaisia rakenteita oli varhaisessa maailmankaikkeudessa. Vielä jokin aika sitten kosmologien mukaan syntymässä olleessa maailmankaikkeudessa olisi ollut valtavia kosmisia säikeitä, mutta niitä ei vain ole löytynyt. Matematiikan avulla voidaan siis laskea, mikä näkyy – ja mikä tärkeämpää, sitä mikä ei näy."

Nyt Lassas on siirtynyt taustasäteilystä gravitaatioaaltoihin. Ne ovat kuin kosmisen mittakaavan maanjäristysaaltoja ja niissä on paljon mahdollisuuksia inversio-ongelmien käyttöön.

Sattuma johdattaa

Lassas on mukana Suomen Akatemian huippuyksikkö-statuksen saaneessa inversio-ongelmien tutkimusryhmässä, jonka jäsenet ovat jakautuneet kuuteen yliopistoon ympäri Suomen. Ryhmässä on nykyisin noin 80 jäsentä.

“Tämä verkosto on rakentunut vähitellen”, Lassas kertoo. “Lähtökohtana ovat olleet eri tutkijoiden väliset ystävyyssuhteet, ja kun yksi on saanut professuurin jossain yliopistossa, niin siitä paikasta on tullut kumppani.”

Lassaksen mukaan ryhmän vahvuus on siinä, että mukana on tutkijoita erittäin laajalla rintamalla puhtaasta matematiikan tutkimuksesta sovellusten siirtämiseen start-up-yrityksiin. Yleensä teoreettisen tiedon siirtyminen sovelluksiin kestää vuosikymmeniä, mutta nyt tutkimus saadaan arkikäyttöön hyvin nopeasti.

“Hyvä esimerkki tästä on yhtiö, jonka jatko-opiskelijamme pistivät pystyyn. Se mittaa putkistoissa kulkevia nesteitä kehittämämme matemaattisen kuvantamisalgoritmin avulla. Kuvantamismenetelmien avulla voidaan havaita maakaasuputken sisälle muodostuvia kiteitä. Pahimmassa tapauksessa ne saattavat tukkia putken, jolloin tuloksena on paitsi katko maakaasun toimituksessa, niin myös kallis remontti. Nyt ongelmat voidaan havaita ennalta ja edullisesti putkea avaamatta ja putki voidaan huoltaa ajoissa.”

Kenties kuuluisin – ja myös huikein – tutkimusryhmän hanke on näkymättömyysviitan tekeminen. Tällä viivataan Harry Potterin taikaviittaan, jolla hän pystyy muuttumaan näkymättömäksi. Yllättäen sellainen ei ole enää pelkkää satua.

“Kyse oli aluksi ihan pelkistä pintojen geometrioista. Sen jälkeen asia vain johti toiseen ja lopulta huomasimme tutkivamme näkymättömyyttä.”

Lassas selittää, että kyseessä oli abstrakti ongelma, missä tutkittiin valonsäteen kulkua matemaattisen pinnan, esimerkiksi hyperboloidin reunalta toiselle. Tavoitteena oli ymmärtää, miten yhdeltä reunalta voitaisiin tehdä pintaa pitkin sähkömagneettisen aaltojen avulla mittauksia siitä, miltä toinen puoli näyttää. Tai kuten Lassas sanoo, “Halusimme tietää, onko pinnan topologiassa reikää.”

Lassas oli menossa esitelmöimään lääketieteellisestä kuvantamisesta Yhdysvalloissa pidettyyn konferenssiin, jolloin hän keksi selittää kuvantamismenetelmiään näkymättömyysesimerkin avulla. Siinä oli kaksi kappaletta, yksi tasa-aineinen ja toinen sellainen, jonka sisälle oli kätketty esine ja joka oli vuorattu teoreettisella pinnoituksella, joka hämäsi näkymistä.

“Teimme erilaisia laskelmia, mutta emme valitettavasti puhuneet tekemisistämme materiaalitutkijoiden kanssa. Emme olleet tulleet ajatelleeksikaan, että he olivat jo tutkineet metamateriaaleja, jolla asia voidaan toteuttaa käytännössä. Muutamien vuosien jälkeen huomasimme, että uusien materiaalien, niin kutsuttujen metamateriaalien, tutkijat eri puolilla maailmaa ehdottivat näkymättömyysviitan tekemistä valolle käyttämällä täsmälleen samoja kaavoja, joita olimme itse hahmotelleet!”

Metamateriaaleissa niiden geometria on tärkeämpää kuin niiden materiaali. On siis sama, onko ne tehty puusta tai pellistä, raudasta tai hiilikuidusta, kunhan vain materiaali käyttäytyy eksoottisesti. Materiaalit voivat olla mekaanisia tai sähköisiä, ja ne voivat saada aikaan valolla (ja muulla sähkömagneettisella säteilyllä) varsin omituisia ilmiöitä: esimerkiksi valo voi taittua ihan toiseen suuntaan kuin odotettaisiin. Veden ja ilman rajapinnassa valo heijastuu ja taittuu, mutta metamateriaalia ja jotain tiettyä valon aallonpituutta käyttämällä voi saada aikaan sen, että valo seuraa kappaleen pintaa samaan tapaan, kuin vesi virtaa joessa olevan kiven ympäri. Valo siis palaa kappaleen ohitettuaan alkuperäiselle reitilleen.

“Jos tämän saisi toimimaan suuressa mittakaavassa ja laajalla taajuuskaistalla, niin se toimisi kuin Harry Potterin näkymättömyysviitta. Toistaiseksi on tosin onnistuttu kätkemään vain noin mikrometrin kokoisia kappaleita, eli viitat ovat vielä aika pieniä ja toimivat vain yhdellä aallonpituudella.”

Ensimmäisenä näkymättömyyttä voitaisiin käyttää esimerkiksi skannausmikroskoopeissa, joissa mikroskoopin äärimmäisen pientä kärkeä kannattavat tuet voitaisiin päällystää käytetyn aallonpituuden alueella “näkymättömäksi” muuttavalla aineella. Samoin tutka-antenneissa, jotka nekin toimivat vain tarkasti määrätyillä aallonpituuksilla, voitaisiin antennin kuvakentässä olevat tuet muuttaa näkymättömiksi. Kummassakin tapauksessa havainnot parantuisivat olennaisesti.

Sovellusten lista vain jatkuu…

Haastattelun kuluessa Lassas pudottelee tutkimuksensa sovelluksia niin innokkaasti, että niitä on vaikea kirjata ylös.

Lassas kertoo niistä innostuneesti, ja toteaakin sen, mikä näkyy päälle: “Tämä on hirveän jännittävää! Yksi asia johtaa toiseen ja tämä saattaa näyttää etenkin näin jälkikäteen katsottuna vain ajautumiselta. Etukäteen ei voi tietää, missä kaikessa kehittämäämme matematiikkaa voi käyttää.”

“Olennaista on se, että meidän pitää olla yhteistyössä muiden alojen tutkijoiden kanssa. Emme saa istua vain kammioissamme, vaan meidän matemaatikkojen pitää mennä tapaamaan muita ihmisiä, kuunnella heitä ja soveltaa tutkimustamme heidän tarpeisiinsa.”

Näkymättömyys on tästä hyvä esimerkki. Lisäksi se on erinomainen esimerkki siitä, miten näennäisesti täysin hyödytön tutkimus tuottaa mullistavia sovelluksia.

Kun Lassas katsoo kymmenen vuoden päähän, niin hän näkee siellä kaikkein kiinnostavimpana uutena alana niin sanotun hybridikuvantamisen. Siinä yhdistetään kaksi erilaista kuvantamistapaa, esimerkiksi sähköinen kuvantaminen ja magneettikuvaus, jolloin saadaan enemmän ja parempaa tietoa.

“Ja sitten on fotoakustinen kuvantaminen! Ihmisen sisälle voidaan lähettää voimakas valopulssi, joka lämmittää hieman ihmisen kehoa, ja tämä pieni, nopea lämpeneminen laajentaa ainetta ja laajentuminen synnyttää ääntä. Koska valo ei mene kovin syvälle ihmiseen, käytetään tätä nyt lähellä ihoa olevassa tutkimuksessa, muun muassa ihosyövän kuvantamisessa.”

“Kun valo korvataan ultraäänellä, saadaan elastografinen kuvantamismenetelmä. Ihmisten sisustaa on vaikea puristaa kasaan siten, että tilavuutemme muuttuu, mutta olemme vastavuoroisesti hyvin vääntyviä ja joustavia. Tämän takia kudoksissamme etenee kaksi eri nopeudella kulkevaa elastista aaltoa, joita voidaan yhdessä käyttää kuvantamisessa: toinen aalto) suunnataan sisällemme kiinnostavaan paikkaan ja ne synnyttävät toisenlaisia aaltoja, joita havaitaan.”

Aaltojen käyttäytymistä voidaan laskea suhteellisuusteorian kaavoilla, joilla esimerkiksi hahmotetaan sähkömagneettisten aaltojen ja gravitaatioaaltojen vuorovaikutusta.

Ei ole mikään ihme, että Lassaksen mielessä asia on myös saanut toisen, aivan erilaiselta tuntuvan, mutta matemaattisesti samankaltainen ajatuksen. Hän miettii, miten havaitsija, joka putoaa avaruudessa vapaasti ja joka lähettää aaltoja ympäriinsä, voi muodostaa kuvan ympärillään olevasta avaruusajasta ja sen rakenteista – vai pystytäänkö siihen lainkaan?

“Artikkelimme tästä on tällä hetkellä viimeisteltävänä ja sen vastaus on, että pystyy. Tämä on sellainen nimenomaan matematiikkaan perustuva kysymys, joka oli henkilökohtaisesti kauhean tärkeä. Ja kuten niin monasti ennenkin, tälle siis löytyi heti käytännön sovelluksia!”

Juttu ja video on julkaistu Suomen akatemian nettisivuilla ja ne uudelleenjulkaistaan Tiedetuubissa luvalla. Tekijänä on Tiedetuubin Jari Mäkinen.

Kiinalainen kamereonttirobotti toiminnassa

Tämä kiinalaisessa Wuhanin yliopistossa tehty väriään vaihtava, hitaasti eteenpäin hivuttautuva robotti ei vaikuta mitenkään erityiseltä, mutta se on erittäin kiinnostava

Äkkiseltään ajateltuna laite, joka katsoo kameralla ympärillään olevaa värimaisemaa ja muuttaa pinnallaan olevia pieniä näyttöruutuja näkemänsä mukaiseksi, ei ole erityisen jännittävä keksintö. Tällaista tekniikkaa kuitenkin tutkitaan parhaillaan hyvin intensiivisesti eri puolilla maailmaa, koska erilaiset häivetekniikat olisivat hyvin toimiessaan erittäin kiinnostavia niin sotilas- kuin siviilisovellustenkin kannalta.

Tavoitteena on se, että laite voisi mukautua ympäristöönsä mahdollisimman hyvin ja nopeasti. Kuten video näyttää, onnistuu Wuhanin yliopiston laite tässä varsin hyvin, joskin kameleonttirobotti liikkuu varsin hitaasti.

Robotti havaitsee ympäristöään "päässään" olevilla kameroilla, tulkitsee havaitsemaansa ja muuttaa pinnallaan olevia pieniä näyttöjä sen mukaisesti. Seuraavassa vaiheessa pinta pystyy näyttämään muitakin kuin perusvärejä, jopa monimutkaisia kuvioita kuten metsää tai pusikkoa, ja silloin laitteella alkaa olla enemmän sovelluskohteita. 

Kun nyt jäykät kuvaruudut korvataan myöhemmin taipuvilla ohutnäytöillä, tekniikkaa voisi käyttää jopa aktiivisesti toimivan näkymättömyysviitan tekemiseen.

Video on robotista kertovan, ACS Nano -julkaisussa olleen artikkelin oheismateriaalista.

Näkymättömyysviitan alle piiloon

Pe, 09/18/2015 - 13:19 Markus Hotakainen
Näkymättömyysviitta

Tieteis- ja fantasiakertomusten kestokikka eli näkymättömäksi muuttuminen alkaa olla kohta arkipäivää laboratorioissa. Tiedetuubissa on aiemmin kerrottu, miten esineet saadaan katoamaan mikroaaltoalueella, mutta nyt ollaan päästy jo näkyvään valoonkin – eli aitoon näkymättömyyteen.

Berkeleyn laboratoriossa on kehitetty näkymättömyysviitta, joka muodostuu 80 nanometrin paksuisesta metapinnasta. Sen toiminta perustuu kullasta valmistettuihin nanoantenneihin, jotka suuntaavat valoa siten, että viitan peittämää kappaletta ei näy lainkaan.

Samaan pääsee tietysti vetämällä hupun päähän, mutta tässä tapauksessa myöskään viittaa ei pysty erottamaan. Tutkimuksessa kadotettava kappale ei ollut suuren suuri, vain muutaman solun kokoinen, mutta kyse on silti läpimurrosta.

"Tämä on ensimmäinen kerta, kun kolmiulotteinen muoto saadaan piiloon näkyvän valon alueella", iloitsee Xiang Zhang, metamateriaalien huippuasiantuntija. Metamateriaalit ovat keinotekoisia nanorakenteita, joiden sähkömagneettisia ominaisuuksia ei löydy luonnon aineista.

Esineiden näkyminen perustuu valon sirontaan kappaleiden pinnasta. Zhangin tutkijaryhmä on kymmenen vuoden ajan kehitellyt materiaaleja, joiden keinotekoiset optiset ominaisuudet muuttavat valon suuntaa erikoisella tavalla. 

Jo aiemmin ryhmä on onnistunut kehittämään peitteen, joka toimii periaatteessa kuin näkymättömyysviitta, mutta on rakenteeltaan hankala ja toisaalta sen pystyy erottamaan taustaa vasten. Täydellistä näkymättömyyttä sillä ei siis saavuteta.

"Viimeaikainen metapintojen kehitys mahdollistaa valoaaltojen suoran manipuloinnin aallonpituutta pienemmillä elementeillä, jotka nanoskaalassa muokkaavat säteilyn sähkömagneettisia ominaisuuksia", selittää tutkijaryhmään kuuluva Xingjie Ni.

Kun punainen valo osuu kolmiulotteiseen, poikkileikkaukseltaan noin 1 300 neliömikrometrin kokoiseen kappaleeseen, joka on peitetty kultaisista nanoantenneista rakentuvalla viitalla, se heijastuu pinnasta samaan tapaan kuin tasopeilistä. Kappaletta ei silloin näy, ei myöskään itse viittaa. 

Viitan voi kytkeä päälle ja pois muuttamalla nanoantennien polarisaatiota. Toistaiseksi näkymättömyys saadaan aikaan vain mikroskooppisissa mitoissa, mutta jatkossa viittaa on tarkoitus kehittää niin, että sillä voidaan peittää myös suurempia kappaleita.

Näkymättömyysviitasta kerrottiin Berkeleyn uutissivuilla ja se on julkaistu Science -tiedelehdessä (maksullinen). Alla on video siitä, miten kappale katoaa, kun näkymättömyysviitta kytketään päälle.

Kuva ja video: Xiang Zhang työryhmineen/Berkeley Lab/UC Berkeley

Mitä kuvasta puuttuu?

Pe, 11/22/2013 - 15:26 Markus Hotakainen

Kiinnostaisiko Harry Potter -tyyppinen näkymättömyysviitta? Tai Star Trek -universumin "cloaking device", jolla saa katoamaan kokonaisen avaruusaluksen? Joulun suosituimmat lahjat -kuvastoista sellaisia ei valitettavasti löydy – vielä. Michael Selvanayagam ja George Eleftheriades Toronton yliopiston sähkö- ja tietotekniikan osastolta ovat kuitenkin päässeet askeleen lähemmäksi näkymättömäksi tekevää tekniikkaa.

Näemme ympäröivän maailman silmiimme saapuvan valon ansiosta. Eri kappaleet heijastavat ja sirottavat niihin osuvaa valoa, joka tekee ne näkyviksi. Jos heijastuneen ja sironneen valon saisi jollain keinolla ”eliminoitua”, kappaletta ei pystyisi näkemään: se olisi siis näkymätön.

Yksi keino on käyttää valon etenemiseen vaikuttavia metamateriaaleja, joiden avulla valonsäteet saa väistämään kappaleen kokonaan. Täsmälleen oikeanlaisten ominaisuuksien kehittäminen on kuitenkin hankalaa ja materiaalia vaaditaan epäkäytännöllisen paksu kerros.

Kanadalaistutkijat ovat lähestyneet ongelmaa toisella tavalla soveltamalla ”aktiivista verhoamista”. Siinä näkymättömäksi tehtävä kappale ympäröidään sähkömagneettisen säteilyn lähteillä. Niiden taajuutta voidaan säätää tarkasti siten, että se vastaa kappaleen sirottaman säteilyn taajuutta ja kumoaa sen.

Eleftheriades ja Selvanayagam onnistuivat kokeissaan ”kätkemään” 11 senttimetrin läpimittaisen ja neljän senttimetrin korkuisen alumiinisylinterin. He sijoittivat sylinterin ympärille antenneja, joiden lähettämä säteily vastasi tarkoin kappaleen pinnasta siroavaa säteilyä, kytkivät virran ja... sylinteri muuttui näkymättömäksi – tosin vain mikroaaltoalueella.

Sen lisäksi, että antennien lähettämän säteilyn avulla sylinteri pystyttiin tekemään näkymättömäksi, muuttamalla antennien taajuutta sen näennäistä kokoa ja myös sijaintia voitiin muuttaa. Seuraavaksi tutkijat tähtäävät järjestelmän automatisointiin siten, että se säätyy itsestään siroavan säteilyn taajuudelle. Heidän mukaansa on mahdollista, että ”näkymättömyysviitta” saadaan toimimaan myös näkyvän valon alueella.

Jatkossa yksi kuva voi siis valehdella vielä paljon enemmän kuin tuhat sanaa.

Tutkimus julkaistiin 12. marraskuuta Physical Review X -julkaisussa ja siitä kerrottiin ScienceNews-sivustolla 21. marraskuuta.