För 10 år sen var det just fotoniska kristaller som gällde. En fotonisk kristall består av minst två material som inte är elektriskt ledande och som släpper igenom ljus men har olika brytningsindex - det skulle t.ex. kunna vara två olika sorters plast eller plast och glas. De två materialen placeras i en periodisk struktur, vilket till exempel kan innebära en hög med tunna skivor där varannan är plast och varannan glas (den engelskspråkiga Wikipediasidan har några bra figurer som visar hur det kan se ut). Tjockleken på skivorna ska då motsvara ungefär en halv våglängd hos den elektromagnetiska strålning man vill hindra från att passera.
Att bara hindra strålning av en viss frekvens från att passera räcker dock inte för att göra något osynligt. Helst skulle man vilja leda ljuset runt det föremål som ska göras osynligt, så att ögonen hos den som tittar på det bara tar emot ljus från det som finns bakom föremålet. Teoretiskt sett är detta möjligt med fotoniska kristaller, på grund av något som kallas effektivt negativt brytningsindex.
När ljus passerar mellan två olika material, t.ex. från luft till glas, fortsätter det inte i en rät linje utan ändrar riktning med en viss vinkel. Hur stor vinkeln är beror på hur stor skillnaden mellan ljusets hastighet i de två materialen är. Den skillnaden uttrycks av skillnaden på materialens brytningsindex. I vanliga material är brytningsindex positivt, men i metamaterial kan ljus av vissa frekvenser ändra riktning med en mycket större vinkel än vad som är möjligt i ett vanligt material (se bild nedan). Man säger då att metamaterialet har ett effektivt negativt brytningsindex. Genom att justera metamaterialet för att få ett speciellt värde på brytningsindex kan man använda denna egenskap för att styra ljusets väg, till exempel runt ett föremål man vill dölja.
Det finns emellertid två problem med detta. För det första är frekvensområdet där fotoniska kristaller har negativt brytningsindex ofta väldigt smalt, så med ett givet metamaterial fungerar det bara för ett fåtal frekvenser (d.v.s., man kanske skulle kunna bli osynlig i grönt ljus men inte rött eller blått). Det andra är att även om varje lager i den fotoniska kristallen är väldigt tunt så behövs det många lager för att få god effekt. Det betyder att även för synligt ljus, med en våglängd på under en mikrometer, kan en osynlighetsmantel av fotoniska kristaller bli rätt otymplig.
Sen min första kontakt med det här ämnesområdet har emellertid en annan typ av metamaterial blivit mer populärt. Istället för att använda material som inte är elektriskt ledande bygger man upp metamaterial av små metalliska element eller elektriska kretsar. Gemensamt för de flesta av de nya metamaterialen är att de utnyttjar olika resonansfenomen som kan uppstå i metalliska material som utsätts för elektromagnetisk strålning. Ett vanligt exempel är en så kallad ringresonator (split-ring resonator), som består av två ringar av metalliskt material där den ena är mindre och placerad inuti den andra. Ringarna har var sin öppning, som är placerade mittemot varandra (se bilden nedan, den är för övrigt lånad från Wikipedia-sidan). När den här konstruktionen utsätts för elektromagnetisk strålning orsakar det en elektrisk ström i ringarna (induktans) och ansamlingar av elektrisk laddning vid ringarnas öppningar (kapacitans). Dessa strömmar och laddningar påverkar i sin tur de omgivande elektriska och magnetiska fälten.
En stor skillnad mellan traditionella fotoniska kristaller och metamaterial med metalliska komponenter är att med metalliska komponenter bör de enskilda elementen i metamaterialet, som ringresonatorerna till exempel, vara mycket mindre än våglängden på den strålning man vill hejda eller styra. Det är positivt om man vill göra en "osynlighetsmantel" på lägre frekvenser (d.v.s., där strålningen har längre våglängd) men för synligt ljus stöter man på problemet att det fortfarande är rätt svårt att tillverka stora mängder komponener som bara är några tiotal nanometer stora, speciellt om man behöver tillverka dem med hög precision. Dessutom funkar även de metalliska metamaterialen också bara i begränsade frekvensområden som beror på de ingående elementens storlek. Frekvensområdet är lite bredare än för fotoniska kristaller, men såvitt jag kunnat ta reda på vore det fortfarande svårt att täcka hela det synliga spektrat. Trots att forskningen definitivt gått framåt verkar vi alltså inte vara särskilt nära en osynlighetsmantel à la Harry Potter än.
Slutligen bör jag nog också nämna att även om en osynlighetsmantel för synligt ljus vore rätt coolt så är det inte det som driver forskningen på området framåt. De flesta artiklar jag sett handlar om elektromagnetisk strålning med våglängder från någon millimeter upp till flera centimeter, som används för t.ex. radar. I det frekvensområdet funkar metalliska metamaterial rätt bra och har givna tillämpningar för de som vill göra sina stealth-flygplan ännu mer stealth-iga.
Att bara hindra strålning av en viss frekvens från att passera räcker dock inte för att göra något osynligt. Helst skulle man vilja leda ljuset runt det föremål som ska göras osynligt, så att ögonen hos den som tittar på det bara tar emot ljus från det som finns bakom föremålet. Teoretiskt sett är detta möjligt med fotoniska kristaller, på grund av något som kallas effektivt negativt brytningsindex.
När ljus passerar mellan två olika material, t.ex. från luft till glas, fortsätter det inte i en rät linje utan ändrar riktning med en viss vinkel. Hur stor vinkeln är beror på hur stor skillnaden mellan ljusets hastighet i de två materialen är. Den skillnaden uttrycks av skillnaden på materialens brytningsindex. I vanliga material är brytningsindex positivt, men i metamaterial kan ljus av vissa frekvenser ändra riktning med en mycket större vinkel än vad som är möjligt i ett vanligt material (se bild nedan). Man säger då att metamaterialet har ett effektivt negativt brytningsindex. Genom att justera metamaterialet för att få ett speciellt värde på brytningsindex kan man använda denna egenskap för att styra ljusets väg, till exempel runt ett föremål man vill dölja.
Det finns emellertid två problem med detta. För det första är frekvensområdet där fotoniska kristaller har negativt brytningsindex ofta väldigt smalt, så med ett givet metamaterial fungerar det bara för ett fåtal frekvenser (d.v.s., man kanske skulle kunna bli osynlig i grönt ljus men inte rött eller blått). Det andra är att även om varje lager i den fotoniska kristallen är väldigt tunt så behövs det många lager för att få god effekt. Det betyder att även för synligt ljus, med en våglängd på under en mikrometer, kan en osynlighetsmantel av fotoniska kristaller bli rätt otymplig.
Sen min första kontakt med det här ämnesområdet har emellertid en annan typ av metamaterial blivit mer populärt. Istället för att använda material som inte är elektriskt ledande bygger man upp metamaterial av små metalliska element eller elektriska kretsar. Gemensamt för de flesta av de nya metamaterialen är att de utnyttjar olika resonansfenomen som kan uppstå i metalliska material som utsätts för elektromagnetisk strålning. Ett vanligt exempel är en så kallad ringresonator (split-ring resonator), som består av två ringar av metalliskt material där den ena är mindre och placerad inuti den andra. Ringarna har var sin öppning, som är placerade mittemot varandra (se bilden nedan, den är för övrigt lånad från Wikipedia-sidan). När den här konstruktionen utsätts för elektromagnetisk strålning orsakar det en elektrisk ström i ringarna (induktans) och ansamlingar av elektrisk laddning vid ringarnas öppningar (kapacitans). Dessa strömmar och laddningar påverkar i sin tur de omgivande elektriska och magnetiska fälten.
En stor skillnad mellan traditionella fotoniska kristaller och metamaterial med metalliska komponenter är att med metalliska komponenter bör de enskilda elementen i metamaterialet, som ringresonatorerna till exempel, vara mycket mindre än våglängden på den strålning man vill hejda eller styra. Det är positivt om man vill göra en "osynlighetsmantel" på lägre frekvenser (d.v.s., där strålningen har längre våglängd) men för synligt ljus stöter man på problemet att det fortfarande är rätt svårt att tillverka stora mängder komponener som bara är några tiotal nanometer stora, speciellt om man behöver tillverka dem med hög precision. Dessutom funkar även de metalliska metamaterialen också bara i begränsade frekvensområden som beror på de ingående elementens storlek. Frekvensområdet är lite bredare än för fotoniska kristaller, men såvitt jag kunnat ta reda på vore det fortfarande svårt att täcka hela det synliga spektrat. Trots att forskningen definitivt gått framåt verkar vi alltså inte vara särskilt nära en osynlighetsmantel à la Harry Potter än.
Slutligen bör jag nog också nämna att även om en osynlighetsmantel för synligt ljus vore rätt coolt så är det inte det som driver forskningen på området framåt. De flesta artiklar jag sett handlar om elektromagnetisk strålning med våglängder från någon millimeter upp till flera centimeter, som används för t.ex. radar. I det frekvensområdet funkar metalliska metamaterial rätt bra och har givna tillämpningar för de som vill göra sina stealth-flygplan ännu mer stealth-iga.
