Teoretiese metode kan voorwerpe onsigbaar maak vir 'n termiese kamera, of 'n ander voorwerp naboots.
Kan jy die hitte voel? Vir 'n termiese kamera, wat infrarooi straling meet, is die hitte wat ons kan voel sigbaar, soos die hitte van 'n reisiger in 'n lughawe met koors of die koue van 'n lekkende venster of deur in die winter.
In 'n artikel gepubliseer in Verrigtinge van die Royal Society A: Wiskundige, Fisiese en Ingenieurswetenskappe, 'n internasionale groep toegepaste wiskundiges en fisici, insluitend Fernando Guevara Vasquez en Trent DeGiovanni van die Universiteit van Utah, rapporteer 'n teoretiese manier om termiese voorwerpe na te boots of om voorwerpe vir termiese metings onsigbaar te maak. En dit vereis nie 'n Romulan manteltoestel of Harry Potter se onsigbaarheidsmantel nie. Die navorsing word deur die National Science Foundation befonds.
Die metode maak voorsiening vir fyninstelling van hitte-oordrag selfs in situasies waar die temperatuur mettertyd verander, sê die navorsers. Een toepassing kan wees om 'n deel te isoleer wat hitte in 'n stroombaan genereer (bv. 'n kragtoevoer) om te verhoed dat dit inmeng met hitte-sensitiewe dele (bv. 'n termiese kamera). 'n Ander toepassing kan in industriële prosesse wees wat akkurate temperatuurbeheer in beide tyd en ruimte vereis, byvoorbeeld die beheer van die verkoeling van 'n materiaal sodat dit op 'n bepaalde manier kristalliseer.
Kyk hier na 'n visualisering van hoe die metode 'n vlieërvormige voorwerp omhul:
Links na regs: 1. temperatuur van 'n plaat wat onderworpe is aan 'n puntbron wat op tyd t=0 skiet (dit kan bv. 'n laserpuls wees). 2. temperatuur van die plaat met 'n "vlieër" voorwerp teenwoordig. Soos jy kan sien, word die isoterme, of temperatuurkontoere, vervorm deur die teenwoordigheid van die voorwerp en dit kan deur 'n waarnemer gebruik word om die vlieër op te spoor en op te spoor. 3. die vlieërvoorwerp is omring deur ons aktiewe mantel. Nou lyk die isoterme presies soos dié in die geval waar die voorwerp nie teenwoordig is nie, wat die vlieërvoorwerp versteek. Krediet: Fernando Guevara Vasquez/Universiteit van Utah
Of kyk hoe dit werk vir 'n Homer Simpson-vormige voorwerp hier:
Links na regs: 1. temperatuur van 'n plaat wat onderhewig is aan puntbronvuur op tyd t=0 (dit kan bv. 'n laserpuls wees). 2. temperatuur van die plaat met 'n voorwerp teenwoordig. Soos jy kan sien word die isoterme, of temperatuurkontoere, vervorm deur die teenwoordigheid van die voorwerp en dit kan deur 'n waarnemer gebruik word om die voorwerp op te spoor en op te spoor. 3. Die voorwerp word omring deur ons aktiewe mantel. Nou lyk die isoterme presies soos dié in die geval waar die voorwerp nie teenwoordig is nie, wat die voorwerp versteek. Krediet: Fernando Guevara Vasquez
Verhul- of onsigbaarheidstoestelle is lank reeds elemente van fiktiewe stories, maar in onlangse jare het wetenskaplikes en ingenieurs ondersoek hoe om wetenskapfiksie in werklikheid te bring. Een benadering, wat metamateriale gebruik, buig lig op so 'n manier om 'n voorwerp onsigbaar te maak.
Net soos ons oë voorwerpe sien as hulle lig uitstraal of weerkaats, kan 'n termiese kamera 'n voorwerp sien as dit infrarooi straling uitstraal of weerkaats. In wiskundige terme kan 'n voorwerp onsigbaar word vir 'n termiese kamera as hittebronne wat rondom dit geplaas word, hitte-oordrag kan naboots asof die voorwerp nie daar is nie.
Die nuwigheid in die span se benadering is dat hulle hittepompe eerder as spesiaal vervaardigde materiaal gebruik om die voorwerpe weg te steek. 'n Eenvoudige huishoudelike voorbeeld van 'n hittepomp is 'n yskas: om kruideniersware af te koel, pomp dit hitte van die binnekant na die buitekant. Die gebruik van hittepompe is baie meer buigsaam as om versigtig vervaardigde materiale te gebruik, sê Guevara. Die navorsers kan byvoorbeeld een voorwerp of bron as 'n heeltemal ander voorwerp of bron laat verskyn. "So ten minste vanuit die perspektief van termiese metings," sê Guevara, "kan hulle 'n appel soos 'n lemoen laat lyk."
Die navorsers het die wiskundige werk gedoen wat nodig is om te wys dat, met 'n ring van hittepompe om 'n voorwerp, dit moontlik is om 'n voorwerp termies te versteek of die hitte-handtekening van 'n ander voorwerp na te boots.
Die werk bly teoreties, sê Guevara, en die simulasies veronderstel 'n "ondersoekende" puntbron van hitte wat om die voorwerp sal reflekteer of buig - die termiese ekwivalent van 'n flitslig in 'n donker kamer.
Die temperatuur van daardie ondersoekbron moet voor die tyd bekend wees, 'n nadeel van die werk. Die benadering is egter binne bereik van huidige tegnologie deur gebruik te maak van klein hittepompe genaamd Peltier-elemente wat hitte vervoer deur 'n elektriese stroom oor 'n metaal-metaal-aansluiting te stuur. Peltier-elemente word reeds wyd in verbruikers- en industriële toepassings gebruik.
Die navorsers stel voor dat hul werk gebruik kan word om die temperatuur van 'n voorwerp in ruimte en tyd akkuraat te beheer, wat toepassings het om elektroniese stroombane te beskerm. Die resultate, sê die navorsers, kan ook toegepas word op akkurate geneesmiddelaflewering, aangesien die wiskunde van hitte-oordrag en diffusie soortgelyk is aan dié van die oordrag en verspreiding van medikasie. En, voeg hulle by, die wiskunde van hoe lig optree in diffuse media soos mis, kan ook lei tot toepassings in visuele cloaking.
Verwysing: "Aktiewe termiese cloaking en nabootsing" deur Maxence Cassier, Trent DeGiovanni, Sébastien Guenneau en Fernando Guevara Vasquez, 12 Mei 2021, Verrigtinge van die Royal Society A: Wiskundige, Fisiese en Ingenieurswetenskappe.
DOI: 10.1098/rspa.2020.0941
Benewens Guevara en DeGiovanni, Maxence Cassier, CNRS Navorser by die Fresnel Instituut in Marseille, Frankryk en Sébastien Guenneau, CNRS-navorser, UMI 2004 Abraham de Moivre-CNRS, Imperial College London, Londen, Verenigde Koninkryk mede-outeur van die studie.
