בילדותי אהבתי לקרוא את ספרי דנידין, הילד הרואה ואינו נראה, וחלמתי להיות כמוהו. שאלה שנשאלתי על ידי אורי, תלמיד י"ב מיבנה, החזירה אותי לאותם זיכרונות. אורי שאל אותי אודות חומרים חדשים שיאפשרו ליצור בגדים שקופים, כאלו שמי לובש אותם הופך לבלתי נראה. הוא התעניין באופן הפעולה של אותם חומרים.
ובכן, מדובר במטא-חומרים (metamaterials; ביוונית: "מטא" = "מעבר ל..."), כינוי לחומרים מלאכותיים בעלי תכונות שאין לחומרים רגילים. ייתכן שבעתיד יהיו סוגים שונים של מטא-חומרים, אך כיום הכוונה היא בדרך כלל לחומרים בעלי מקדם שבירה שלילי. מקדם השבירה קובע את כיוון קרני האור שנעות בתוך החומר יחסית לזווית שבה הן חדרו לתוכו. חומרים בעלי מקדם שבירה שלילי מעקמים את קרני האור בצורה שאינה אפשרית בחומרים רגילים (ראו הערה בסוף). מסלול קרני האור יכול, בעצם, לאפשר לנו לראות מקורות אור שנמצאים מאחור, כלומר ניתן להסוות עצם שמכוסה בשכבה עשויה ממטא-חומר.
קרינה אלקטרומגנטית היא שם כולל לספקטרום רחב של גלים, החל מגלי רדיו דרך אור נראה וכלה בקרינת גמא. בכל הקשור לתגובה של חומרים לקרינה אלקטרומגנטית, שני הפרמטרים החשובים הם המקדם הדיאלקטרי (permittivity) והמקדם המגנטי (permeability). המקדם הדיאלקטרי קובע את גודלו ואת כיוונו של השדה החשמלי שנוצר בחומר בתגובה להפעלה של שדה חשמלי חיצוני, והמקדם המגנטי קובע את גודלו ואת כיוונו של השדה המגנטי שנוצר בחומר כשמופעל עליו שדה מגנטי חיצוני. הפיזיקאי הרוסי ויקטור וסלגו הראה ב-1967 שמקדם השבירה של חומר בעל מקדם דיאלקטרי ומקדם מגנטי שליליים יהיה שלילי גם כן. חומרים בעלי מקדם דיאלקטרי שלילי קיימים בטבע, למשל מתכות (כל עוד התדר של הקרינה הפוגעת נמוך מהתחום העל-סגול), אבל בכל הנוגע לחומרים בעל מקדם מגנטי שלילי - חומרים טבעיים כאלו טרם התגלו.
בעשור האחרון הצליחו לייצר באופן מלאכותי מטא-חומרים בעלי מקדם מגנטי שלילי. הדבר התאפשר בזכות ההתקדמות הטכנולוגית, יחד עם כמה רעיונות מבריקים. הרעיון המרכזי שעומד בבסיס החומרים החדשים הוא ייצור של מבנים זעירים שחוזרים על עצמם, למשל לולאות זעירות. הקרינה האלקטרומגנטית גורמת להיווצרות זרם בלולאות, והזרמים בתורם מייצרים שדה מגנטי בתוך החומר. כיוונם של הזרמים נקבע בהתאם לחוק לנץ: השדה המגנטי שהם מייצרים תמיד מנוגד לשדה המגנטי החיצוני. היות שהכיוון הפוך, המקדם המגנטי של החומר שלילי.
לסיום, תחזית אישית: אני סבור שמטא-חומרים יתפסו מקום חשוב בחיינו במהלך חמישים השנים הבאות. פריצת הדרך התאורטית התרחשה לפני 40 שנה על ידי וסלגו ופריצת הדרך הטכנולוגית התרחשה בעשור האחרון. בתחילת העשור היו עדיין ויכוחים לגבי תוצאות הניסויים הראשוניים, אך כיום מהימנות הניסויים ברורה, וזה כבר עניין של פיתוח חומרים יעילים לתדרים שונים. אני משער שכבר בעשור הקרוב ייכנסו לשימוש מוצרים עשויים ממטא-חומרים. אמנם "גלימת הארי פוטר" היא מוצר שייקח זמן מה לפתח אותו, אך שימושים אחרים, הן צבאיים והן אזרחיים, צפויים להופיע כבר בעתיד הקרוב. השימושים הצבאיים יתרכזו בכל הקשור להסוואה בתחומים שונים של ספקטרום הקרינה האלקטרומגנטית, כמו למשל הסוואה של מטוסים מפני מכמי"ם. השימוש האזרחי המבטיח ביותר כרגע הוא עדשת-על (Superlens) - עדשה זעירה בעלת רזולוציה גבוהה במיוחד שצפוי לה שימוש נרחב מאוד בכל ענפי מדעי הטבע והטכנולוגיה.
הערה: חוק סנל מסביר מדוע חומר בעל מקדם שבירה שלילי גורם לקרן הנשברת להישאר באותו צד של האנך למשטח המגע עם החומר שממנו היא מגיעה.
לפי חוק סנל היחס בין זווית הפגיעה יחסית לאנך לזווית היציאה יחסית לאנך שווה ליחס ההפוך של מקדמי השבירה:
%7D%7Bsin(%5Ctheta_%7B2%7D)%7D=%5Cfrac%7Bn_%7B2%7D%7D%7Bn_%7B1%7D%7D "\frac{sin(\theta_{1})}{sin(\theta_{2})}=\frac{n_{2}}{n_{1}}")
כאשר מקדם השבירה של החומר אליו חודרת הקרן הוא שלילי, מתקבלת זווית שלילית שהמשמעות שלה היא שהקרן נשארת באותו צד של האנך.
ובכן, מדובר במטא-חומרים (metamaterials; ביוונית: "מטא" = "מעבר ל..."), כינוי לחומרים מלאכותיים בעלי תכונות שאין לחומרים רגילים. ייתכן שבעתיד יהיו סוגים שונים של מטא-חומרים, אך כיום הכוונה היא בדרך כלל לחומרים בעלי מקדם שבירה שלילי. מקדם השבירה קובע את כיוון קרני האור שנעות בתוך החומר יחסית לזווית שבה הן חדרו לתוכו. חומרים בעלי מקדם שבירה שלילי מעקמים את קרני האור בצורה שאינה אפשרית בחומרים רגילים (ראו הערה בסוף). מסלול קרני האור יכול, בעצם, לאפשר לנו לראות מקורות אור שנמצאים מאחור, כלומר ניתן להסוות עצם שמכוסה בשכבה עשויה ממטא-חומר.
מסלול הקרניים כשהאור עובר מחומר עם מקדם שבירה חיובי (חומר 1) לחומר עם מקדם שבירה שלילי (חומר 2)
קרינה אלקטרומגנטית היא שם כולל לספקטרום רחב של גלים, החל מגלי רדיו דרך אור נראה וכלה בקרינת גמא. בכל הקשור לתגובה של חומרים לקרינה אלקטרומגנטית, שני הפרמטרים החשובים הם המקדם הדיאלקטרי (permittivity) והמקדם המגנטי (permeability). המקדם הדיאלקטרי קובע את גודלו ואת כיוונו של השדה החשמלי שנוצר בחומר בתגובה להפעלה של שדה חשמלי חיצוני, והמקדם המגנטי קובע את גודלו ואת כיוונו של השדה המגנטי שנוצר בחומר כשמופעל עליו שדה מגנטי חיצוני. הפיזיקאי הרוסי ויקטור וסלגו הראה ב-1967 שמקדם השבירה של חומר בעל מקדם דיאלקטרי ומקדם מגנטי שליליים יהיה שלילי גם כן. חומרים בעלי מקדם דיאלקטרי שלילי קיימים בטבע, למשל מתכות (כל עוד התדר של הקרינה הפוגעת נמוך מהתחום העל-סגול), אבל בכל הנוגע לחומרים בעל מקדם מגנטי שלילי - חומרים טבעיים כאלו טרם התגלו.
בעשור האחרון הצליחו לייצר באופן מלאכותי מטא-חומרים בעלי מקדם מגנטי שלילי. הדבר התאפשר בזכות ההתקדמות הטכנולוגית, יחד עם כמה רעיונות מבריקים. הרעיון המרכזי שעומד בבסיס החומרים החדשים הוא ייצור של מבנים זעירים שחוזרים על עצמם, למשל לולאות זעירות. הקרינה האלקטרומגנטית גורמת להיווצרות זרם בלולאות, והזרמים בתורם מייצרים שדה מגנטי בתוך החומר. כיוונם של הזרמים נקבע בהתאם לחוק לנץ: השדה המגנטי שהם מייצרים תמיד מנוגד לשדה המגנטי החיצוני. היות שהכיוון הפוך, המקדם המגנטי של החומר שלילי.
לסיום, תחזית אישית: אני סבור שמטא-חומרים יתפסו מקום חשוב בחיינו במהלך חמישים השנים הבאות. פריצת הדרך התאורטית התרחשה לפני 40 שנה על ידי וסלגו ופריצת הדרך הטכנולוגית התרחשה בעשור האחרון. בתחילת העשור היו עדיין ויכוחים לגבי תוצאות הניסויים הראשוניים, אך כיום מהימנות הניסויים ברורה, וזה כבר עניין של פיתוח חומרים יעילים לתדרים שונים. אני משער שכבר בעשור הקרוב ייכנסו לשימוש מוצרים עשויים ממטא-חומרים. אמנם "גלימת הארי פוטר" היא מוצר שייקח זמן מה לפתח אותו, אך שימושים אחרים, הן צבאיים והן אזרחיים, צפויים להופיע כבר בעתיד הקרוב. השימושים הצבאיים יתרכזו בכל הקשור להסוואה בתחומים שונים של ספקטרום הקרינה האלקטרומגנטית, כמו למשל הסוואה של מטוסים מפני מכמי"ם. השימוש האזרחי המבטיח ביותר כרגע הוא עדשת-על (Superlens) - עדשה זעירה בעלת רזולוציה גבוהה במיוחד שצפוי לה שימוש נרחב מאוד בכל ענפי מדעי הטבע והטכנולוגיה.
הערה: חוק סנל מסביר מדוע חומר בעל מקדם שבירה שלילי גורם לקרן הנשברת להישאר באותו צד של האנך למשטח המגע עם החומר שממנו היא מגיעה.
לפי חוק סנל היחס בין זווית הפגיעה יחסית לאנך לזווית היציאה יחסית לאנך שווה ליחס ההפוך של מקדמי השבירה:
כאשר מקדם השבירה של החומר אליו חודרת הקרן הוא שלילי, מתקבלת זווית שלילית שהמשמעות שלה היא שהקרן נשארת באותו צד של האנך.
אין תגובות:
הוסף רשומת תגובה