metamateriaalit

Tutkijat ovat ensimmäistä kertaa onnistuneet tekemään magneettiseksi metalleja, jotka eivät ole sellaisia luonnostaan. Itse asiassa normaalilämpötiloissa ferromagneettisia aineita – jotka magnetoituvat helposti ja myös säilyttävät magneettisuutensa, vaikka eivät olisikaan magneettikentässä – on vain kolme: rauta, koboltti ja nikkeli.

"Magneettisten aineiden suppea valikoima rajoittaa mahdollisuuksiamme kehittää erilaisissa sovelluksissa tarvittavia magneettisia järjestelmiä ilman hyvin harvinaisten tai myrkyllisten materiaalien käyttöä. Laitteiden rakentaminen kolmen luonnostaan magneettisen aineen avulla muistuttaa pilvenpiirtäjän pystyttämistä kankiraudasta. Miksi emme lisäisi vähän hiiltä, jolloin saamme terästä?" pohtii Leedsin yliopiston tutkijaryhmään kuulunut Tim Moorsom.

Aineen magneettisuuden määrittelee niin sanottu Stonerin kriteeri. Leedsin yliopistossa on kehitetty menetelmä, jolla tätä matemaattista lauseketta voidaan muokata siten, että aineesta tulee magneettinen. Se edellyttää aineessa esiintyvien kvanttivuorovaikutusten muuttamista.

"Magnetismin aikaansaaminen aineissa, jotka eivät luonnostaan ole magneettisia, avaa uusia mahdollisuuksia kehittää laitteita, joissa käytetään yleisiä ja vaarattomia aineita kuten hiiltä ja kuparia", lupailee tutkijaryhmään niin ikään kuulunut Fatma Al Ma’Mari.

"Tulevaisuuden tekniikka, esimerkiksi kvanttitietokoneet, vaativat uudenlaisia magneetteja, joilla on erityisominaisuuksia, jotta tallennus- ja tietojenkäsittelykapasiteetin kasvattaminen käy mahdolliseksi. Tutkimuksemme on askel kohti 'magneettisia metamateriaaleja', jotka täyttävät nämä vaatimukset."

Leedsin yliopistossa 1960-luvulle saakka työskennelleen professori Edmund Clifton Stonerin kehittämä kriteeri tarkastelee elektronien jakaumaa atomissa ja niiden välisen vuorovaikutuksen voimakkuutta. Sen mukaan ferromagneettisissa aineissa eri energiatiloissa olevien elektronien määrä noudattaa tiettyä säännönmukaisuutta.

Leedsin yliopiston tutkijat onnistuivat muokkaamaan elektronien jakaumaa siten, että aine muuttuu magneettiseksi. Temppu tehdään C₆₀- eli pallohiilellä, jolla haluttu aine pinnoitetaan ohuelti. Elektronien siirtyminen metallista pallomaiseen hiilimolekyyliin saa aikaan Stonerin kriteerin täyttymisen ja aine muuttuu magneettiseksi.

"Jo aiemmin oli todettu, että molekyylipinnoitteella voidaan muuttaa magneettien ominaisuuksia. Seuraavaksi halusimme kokeilla, josko molekyyleillä voitaisiin myös muuttaa ei-magneettisia metalleja magneettisiksi", tutkimusta johtanut Oscar Cespedes yksinkertaistaa. 

Tutkimus osoittaa, että menetelmä toimii, mutta seuraavaksi tavoitteena on tehdä magneeteista voimakkaampia. "Tällä hetkellä näitä magneetteja ei saisi pysymään jääkaapissa. Uskomme kuitenkin, että soveltamalla tekniikkaa oikeanlaiseen alkuaineiden yhdistelmään saadaan kehitettyä uudenlaisia mittatilausmagneetteja, joita voidaan käyttää sekä nykyisissä että tulevissa teknisissä sovelluksissa", Cespedes toteaa toiveikkaana.

Läpimurrosta kerrottiin Leedsin yliopiston uutissivuilla ja tutkimus julkaistiin Nature-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: University of Leeds

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.