Dapatkah anda menjadi manusia tembus pandang? Fisika menjawab “Metamaterial”

Dapatkah anda menjadi manusia tembus pandang? Fisika menjawab “Metamaterial”

Menjadi tak terlihat atau tembus pandang sering menyelip menjadi konten-konten impian dalam film fiksi ilmiah. Saking seringnya muncul dalam film fiksi ilmiah, kita kadang menganggap hal-hal yang sebenarnya menjadi topik kajian ilmiah itu sebagai hal yang mustahil. Fiksi ilmiah memang kadang memegang peran khusus dalam tatanan penemuan ilmiah. Boleh dibilang fiksi ilmiah merupakan pemantik awal bagi para ilmuwan, karena segala penemuan pernah berposisi sebagai khayalan dan imajinasi sebelum penemuan tersebut diwujudkan. Pesawat pun juga merupakan fiksi ilmiah bagi orang-orang ratusan tahun yang lalu. Sekarang pun begitu, menjadi tembus pandang bukan lagi hanya bagian dari fiksi ilmiah. Kali ini fisika menjawab dengan “metamaterial”

Perkembangan menjanjikan untuk menjadi tak terlihat (invisibility) ialah dengan adanya suatu material exotic yang disebut dengan “metamaterial”, yang memungkinkan kita suatu hari nanti menjadi benar-benar tembus pandang. Ironisnya, penciptaan metamaterial pernah dianggap mustahil karena melanggar hukum optik – sama halnya dengan pemustahilan penciptaan mesin waktu karena melanggar prinsip ruang&waktu dan sebagainya –. Namun pada tahun 2006 para penelitidi Duke University di Durham, North Carolina, dan Imperial College di London berhasil menentang kebijaksaaan konvensional dan menggunakan matematerial untuk membuat sebuah objek tidak terlihat oleh radiasi gelombang mikro. Meski sebenarnya masih banyak rintangan yang harus diatasi, untuk pertama kaslinya dalam sejarah, kita memiliki suatu rancangan matang untuk menghilangkan sematan fiski ilmiah pada objek-objek yang menjadi tidak terlihat.

Nathan Myhrvold, mantan chief technology officer di Microsoft, menjelaskan mengenai potensi revolusioner dari metamaterial.Di mana nantinya akan sepenuhnya mengubah cara kira melakukan pendekatan optik dan aspek-aspek dalam elektronika. Menurutnya, metamaterial ini akan memberikan pencapaian yang tampak ajaib dalam beberapa decade.

Material seperti apakah metamaterial itu? Mereka adalah zat yang memiliki sifat optik yang tidak ditemukan di alam. Metamaterial dibuat dengan menanamkan implant kecil di dalam suatu zat yang memaksa gelombang elektromagnetik untuk membengkok dengan cara yang tidak ortodoks. Di Duke University, para ilmuwan menyematkan sirkuit listrik kecil di dalam pita tembaga yang disusun dalam lingkaran konsentris datar (agak menyerupai gulungan oven listrik). Hasilnya adalah campuran keramik, teflon, komposit serat, dan komponen logam yang canggih. Implan kecil di tembaga ini memungkinkan untuk membengkokkan dan menyalurkan jalur radiasi gelombang mikro dengan cara tertentu. Pikirkan tentang bagaimana sungai mengalir di sekitar batu besar. Karena air dengan cepat membungkus batu tersebut, keberadaan batu tersebut telah tersapu ke hilir. Demikian pula, metamaterial dapat terus menerus mengubah dan membengkokkan jalur gelombang mikro sehingga mengalir di sekitar silinder, misalnya, pada dasarnya membuat segala sesuatu di dalam silinder tidak terlihat oleh gelombang mikro. Jika metamaterial dapat menghilangkan semua pantulan dan bayangan, maka ia dapat membuat objek sama sekali tidak terlihat oleh bentuk radiasi tersebut.

Para ilmuwan berhasil mendemonstrasikan prinsip ini dengan perangkat yang terbuat dari sepuluh cincin fiberglass yang dilapisi dengan elemen tembaga. Cincin tembaga di dalam perangkat dibuat hampir tidak terlihat oleh radiasi gelombang mikro, hanya menghasilkan bayangan yang sangat kecil.

Inti dari metamaterial adalah kemampuan mereka untuk memanipulasi sesuatu yang disebut "indeks bias." Refraksi adalah pembengkokan cahaya saat bergerak melalui media transparan. Jika Anda memasukkan tangan Anda ke dalam air, atau melihat melalui lensa kacamata Anda, Anda melihat bahwa air dan kaca merusak dan membelokkan jalur cahaya biasa.

Alasan cahaya membelok di kaca atau air adalah karena cahaya melambat saat memasuki media padat dan transparan. Kecepatan cahaya dalam ruang hampa murni selalu tetap sama, tetapi cahaya yang bergerak melalui kaca atau air harus melewati triliunan atom dan karenanya melambat. (Kecepatan cahaya dibagi dengan kecepatan lambat cahaya di dalam medium disebut indeks refraksi. Karena cahaya melambat dalam kaca, indeks refraksi selalu lebih besar dari 1,0). Misalnya indeks biasnya adalah 1,00 untuk ruang hampa, 1.0003 untuk udara, 1,5 untuk kaca, dan 2,4 untuk intan. Biasanya, semakin padat medianya, semakin besar derajat tekukannya, dan semakin besar indeks biasnya.

Contoh umum indeks refraksi adalah fatamorgana. Jika Anda mengemudi di hari yang panas dan melihat lurus ke arah cakrawala, jalan mungkin tampak berkilauan, menciptakan ilusi danau yang berkilauan. Di gurun, terkadang orang dapat melihat garis besar kota dan pegunungan yang jauh di cakrawala. Ini karena udara panas yang naik dari trotoar atau gurun memiliki kepadatan yang lebih rendah daripada udara normal, dan karenanya indeks pembiasan lebih rendah daripada udara di sekitarnya, udara yang lebih dingin, dan oleh karena itu cahaya dari benda-benda yang jauh dapat dibiaskan dari trotoar ke mata Anda, memberikan Anda ilusi bahwa Anda sedang melihat objek yang jauh.

Biasanya indeks bias adalah konstanta. Seberkas cahaya yang sempit dibengkokkan saat memasuki kaca dan kemudian terus bergerak dalam garis lurus. Tetapi anggaplah untuk saat ini Anda bisa mengontrol indeks bias sesuka hati, sehingga bisa berubah terus menerus di setiap titik di kaca. Saat cahaya bergerak dalam materi baru ini, cahaya bisa membelok dan berkelok-kelok ke arah baru, menciptakan jalur yang akan mengembara ke seluruh substansi seperti ular.

Jika seseorang dapat mengontrol indeks bias di dalam metamaterial sehingga cahaya melewati suatu objek, maka objek tersebut menjadi tidak terlihat. Untuk melakukan ini, metamaterial ini harus memiliki indeks bias negatif, yang menurut setiap buku teks optik tidak mungkin (Metamaterial pertama kali diteorikan dalam makalah oleh fisikawan Soviet Victor Veselago pada tahun 1967 dan terbukti memiliki sifat optik yang aneh, seperti bias negatif. indeks dan efek Doppler terbalik. Metamaterial sangat aneh dan tidak masuk akal sehingga pernah dianggap mustahil untuk dibuat. Namun dalam beberapa tahun terakhir, metamaterial sebenarnya telah diproduksi di laboratorium, memaksa fisikawan yang enggan untuk menulis ulang semua buku teks tentang optik. )

Para peneliti di bidang metamaterial terus-menerus direcoki oleh jurnalis yang ingin tahu kapan jubah gaib akan beredar di pasaran. Jawabannya adalah: tidak dalam waktu dekat.

David Smith dari Duke University berkata, "Reporter, mereka menelepon dan mereka hanya ingin Anda menyebutkan nomornya. Jumlah bulan, jumlah tahun. Mereka mendorong dan mendorong dan mendorong dan akhirnya Anda berkata, ya, mungkin sepuluh tahun. Jadi, dalam satu decade lagi semua itu bukan hanya dalam fiksi ilmiah. Itu sebabnya dia sekarang menolak memberikan jadwal tertentu. Penggemar Harry Potter atau Star Trek mungkin harus menunggu. Sementara jubah tembus pandang yang sebenarnya dimungkinkan dalam hukum fisika, seperti yang disetujui sebagian besar fisikawan, rintangan teknis yang berat tetap ada sebelum teknologi ini dapat diperluas dan bekerja pada cahaya tampak daripada hanya radiasi gelombang mikro seperti dalam percobaan.

Satu decade bukan lagi waktu yang lama. Jika anda sekarang berumur 20-an tahun, maka pada umur 30-an tahun nanti anda mungkin akan tidak sengaja menyenggol seseorang yang berjalan di jalan tanpa melihatnya. Atau mungkin saja bentuk kejahatan akan semakin beragam, sehingga banyak perubahan dalam tatanan sosial yang juga perlu dibenahi. Namun sekali lagi, kita masih harus menghadapi hambatan teknis produksi yang tidak kalah sulitnya. Jadi ringkasnya, menjadi manusia tembus pandang sangatlah mungkin.

Secara umum struktur internal yang ditanamkan di dalam metamaterial harus lebih kecil dari panjang gelombang radiasi. Misalnya, gelombang mikro dapat memiliki panjang gelombang sekitar 3 sentimeter, jadi untuk metamaterial untuk membelokkan jalur gelombang mikro, harus ada implan kecil yang tertanam di dalamnya yang berukuran lebih kecil dari 3 sentimeter. Tetapi untuk membuat sebuah objek tidak terlihat oleh cahaya hijau, dengan panjang gelombang 500 nanometer (nm), metamaterial harus memiliki struktur yang tertanam di dalamnya yang panjangnya hanya sekitar 50 nanometer - dan nanometer adalah skala panjang atom yang membutuhkan nanoteknologi. (Satu nanometer adalah sepermiliar meter panjangnya. Sekitar lima atom dapat masuk dalam satu nanometer.) Ini mungkin masalah utama yang kita hadapi dalam upaya kita untuk menciptakan jubah tembus pandang yang sebenarnya. Atom individu di dalam metamaterial harus dimodifikasi untuk membelokkan berkas cahaya seperti ular.

Gambar 1. Pembelokan cahaya melewati sisi-sisi objek layaknya ular

Metamaterial untuk Cahaya TampakSejak pengumuman bahwa metamaterial telah dibuat di laboratorium telah terjadi serbuan kegiatan di bidang ini, dengan wawasan baru dan terobosan mengejutkan datang setiap beberapa bulan. Tujuannya jelas: menggunakan nanoteknologi untuk menciptakan metamaterial yang dapat membelokkan cahaya tampak, bukan hanya gelombang mikro. Beberapa pendekatan telah diajukan, semuanya cukup menjanjikan.

Salah satu proposal adalah menggunakan teknologi off-the-shelf, yaitu meminjam teknik yang dikenal dari industri semikonduktor untuk membuat metamaterial baru. Sebuah teknik yang disebut "fotolitografi" terletak di jantung miniaturisasi komputer dan karenanya mendorong revolusi komputer. Teknologi ini memungkinkan para insinyur untuk menempatkan ratusan juta transistor kecil ke wafer silikon yang tidak lebih besar dari ibu jari Anda.

Ia beralasan bahwa daya komputer berlipat ganda setiap delapan belas bulan (yang disebut hukum Moore) adalah karena para ilmuwan menggunakan radiasi ultraviolet untuk "mengetsa" komponen yang lebih kecil dan lebih kecil ke dalam sebuah chip silikon. Teknik ini sangat mirip dengan cara menggunakan stensil untuk membuat kaos warna-warni. (Insinyur komputer mulai dengan wafer tipis dan kemudian menerapkan lapisan sangat tipis dari berbagai bahan di atasnya. Masker plastik kemudian ditempatkan di atas wafer, yang bertindak sebagai templat. Ini berisi garis rumit kabel, transistor, dan komponen komputer itulah kerangka dasar dari sirkuit. Wafer kemudian disiram dengan radiasi ultraviolet, yang memiliki panjang gelombang yang sangat pendek, dan radiasi tersebut membubuhkan pola tersebut ke wafer fotosensitif. Dengan memperlakukan wafer dengan gas dan asam khusus, sirkuit kompleks dari topeng itu tergores ke wafer yang terkena sinar ultraviolet. Proses ini menciptakan wafer yang mengandung ratusan juta alur kecil, yang membentuk garis besar transistor.) Saat ini, komponen terkecil yang dapat dibuat dengan ini Proses etsa sekitar 30 nm (atau sekitar 150 atom).

Sebuah tonggak penting dalam pencarian tidak terlihat datang ketika teknologi etsa wafer silikon ini digunakan oleh sekelompok ilmuwan untuk membuat metamaterial pertama yang beroperasi dalam jangkauan cahaya tampak. Ilmuwan di Jerman dan di Departemen Energi AS mengumumkan di awal tahun 2007 bahwa, untuk pertama kali dalam sejarah, mereka membuat bahan meta yang bekerja untuk lampu merah. "Mustahil" telah dicapai dalam waktu yang sangat singkat.

Fisikawan Costas Soukoulis dari Laboratorium Ames di Iowa, bersama Stefan Linden, Martin Wegener, dan Gunnar Dolling dari Universitas Karlsruhe, Jerman, mampu menciptakan metamaterial yang memiliki indeks -.6 untuk lampu merah, pada panjang gelombang 780 nm. (Sebelumnya, rekor dunia untuk radiasi yang dibengkokkan oleh metamaterial adalah 1.400 nm, yang membuatnya berada di luar jangkauan cahaya tampak, dalam kisaran inframerah.)

Para ilmuwan pertama kali memulai dengan lembaran kaca, dan kemudian mengendapkan lapisan tipis perak, magnesium fluorida, dan kemudian lapisan perak lainnya, membentuk "sandwich" fluorida yang tebalnya hanya 100 nm. Kemudian, dengan menggunakan teknik etsa standar, mereka membuat serangkaian besar lubang persegi mikroskopis di sandwich, menciptakan pola kisi yang menyerupai jaring. (Lubang-lubang itu hanya selebar 100 nm, jauh lebih kecil dari panjang gelombang lampu merah.) Kemudian mereka melewati sinar lampu merah melalui material dan mengukur indeksnya, yaitu -6.

Fisikawan ini meramalkan banyak penerapan teknologi ini. Metamaterial "suatu hari nanti bisa mengarah pada pengembangan jenis superlens datar yang beroperasi dalam spektrum yang terlihat," kata Dr. Soukoulis. "Lensa semacam itu akan menawarkan resolusi yang lebih unggul daripada teknologi konvensional, menangkap detail yang jauh lebih kecil daripada satu panjang gelombang cahaya." Penerapan langsung dari "superlens" semacam itu adalah untuk memotret objek mikroskopis dengan kejelasan yang tak tertandingi, seperti bagian dalam sel manusia yang hidup, atau untuk mendiagnosis penyakit pada bayi di dalam rahim. Idealnya, seseorang akan dapat memperoleh foto-foto komponen molekul DNA tanpa harus menggunakan kristalografi sinar-X yang kaku.

Sejauh ini para ilmuwan tersebut telah menunjukkan indeks bias negatif hanya untuk lampu merah. Langkah mereka selanjutnya adalah menggunakan teknologi ini untuk membuat metamaterial yang akan membelokkan cahaya merah seluruhnya di sekitar objek, membuatnya tidak terlihat oleh cahaya itu. Perkembangan masa depan di sepanjang garis ini dapat terjadi di area "kristal fotonik". Tujuan dari teknologi kristal fotonik adalah untuk membuat sebuah chip yang menggunakan cahaya, bukan listrik, untuk memproses informasi. Ini memerlukan penggunaan nanoteknologi untuk mengetsa komponen kecil ke wafer, sehingga indeks refraksi berubah dengan setiap komponen. Transistor yang menggunakan cahaya memiliki beberapa keunggulan dibandingkan yang menggunakan listrik. Misalnya, kehilangan panas jauh lebih sedikit untuk kristal fotonik. (Dalam chip silikon tingkat lanjut, panas yang dihasilkan cukup untuk menggoreng telur. Jadi mereka harus terus didinginkan atau mereka akan gagal, dan menjaganya tetap dingin sangat mahal.) Tidak mengherankan, ilmu kristal fotonik cocok untuk metamaterial, karena kedua teknologi melibatkan manipulasi indeks pembiasan cahaya di skala nano.

Tembus pandang via Plasmonik

Tidak mau kalah, kelompok lain mengumumkan pada pertengahan 2007 bahwa mereka telah menciptakan metamaterial yang membelokkan cahaya tampak menggunakan teknologi yang sama sekali berbeda, yang disebut "plasmonik". Fisikawan Henri Lezec, Jennifer Dionne, dan Harry Atwater di California Institute of Technology mengumumkan bahwa mereka telah menciptakan metamaterial yang memiliki indeks negatif untuk wilayah biru-hijau yang lebih sulit dari spektrum cahaya tampak.

Tujuan dari plasmonik adalah untuk "memeras" cahaya sehingga seseorang dapat memanipulasi objek pada skala nano, terutama pada permukaan logam. Alasan logam menghantarkan listrik adalah karena elektron terikat secara longgar pada atom logam, sehingga dapat dengan bebas bergerak di sepanjang permukaan kisi logam. Listrik yang mengalir di kabel-kabel di rumah Anda mewakili aliran halus elektron-elektron yang terikat longgar ini pada permukaan logam. Tetapi dalam kondisi tertentu, ketika berkas cahaya bertabrakan dengan permukaan logam, elektron dapat bergetar serentak dengan berkas cahaya aslinya, menciptakan gerakan seperti gelombang elektron pada permukaan logam (disebut plasmon), dan gerakan seperti gelombang ini berdenyut serentak dengan berkas cahaya asli. Lebih penting lagi, seseorang dapat "memeras" plasmon ini sehingga mereka memiliki frekuensi yang sama dengan pancaran aslinya (dan karenanya membawa informasi yang sama) tetapi memiliki panjang gelombang yang jauh lebih kecil. Pada prinsipnya, seseorang mungkin kemudian menjejalkan gelombang yang diperas ini ke kawat nano. Seperti halnya kristal fotonik, tujuan akhir dari plasmonik adalah membuat chip komputer yang menghitung menggunakan cahaya, bukan listrik.

Grup Cal Tech membangun metamaterial mereka dari dua lapisan perak, dengan insulator nitrogen silikon di antaranya (dengan ketebalan hanya 50 nm), yang bertindak sebagai "pemandu gelombang" yang dapat menggiring arah gelombang plasmonik. Sinar laser masuk dan keluar dari peralatan melalui dua celah yang diukir pada metamaterial. Dengan menganalisis sudut di mana sinar laser dibengkokkan saat melewati metamaterial, seseorang kemudian dapat memverifikasi bahwa cahaya dibengkokkan melalui indeks negatif.

Masa Depan Metamaterial

Kemajuan dalam metamaterial akan dipercepat di masa depan karena alasan sederhana bahwa sudah ada minat yang kuat dalam membuat transistor yang menggunakan berkas cahaya daripada listrik. Oleh karena itu, penelitian dalam tembus pandang dapat "mendukung" penelitian yang sedang berlangsung dalam kristal fotonik dan plasmonik untuk membuat pengganti chip silikon. Ratusan juta dolar telah diinvestasikan dalam menciptakan pengganti untuk teknologi silikon, dan penelitian dalam metamaterial akan mendapatkan keuntungan dari upaya penelitian ini.

Dengan terobosan yang terjadi di bidang ini setiap beberapa bulan, tidak mengherankan bahwa beberapa fisikawan melihat semacam perisai tembus pandang praktis yang muncul dari laboratorium mungkin dalam beberapa dekade. Dalam beberapa tahun mendatang, misalnya, para ilmuwan yakin bahwa mereka akan mampu menciptakan metamaterial yang dapat membuat suatu objek sama sekali tidak terlihat untuk satu frekuensi cahaya tampak, setidaknya dalam dua dimensi. Untuk melakukan ini, diperlukan penyematan implan nano kecil tidak dalam susunan biasa, tetapi dalam pola yang canggih sehingga cahaya akan membelok dengan mulus di sekitar objek. Selanjutnya, para ilmuwan harus menciptakan metamaterial yang dapat membelokkan cahaya dalam tiga dimensi, tidak hanya untuk permukaan datar dua dimensi. Fotolitografi telah disempurnakan untuk membuat wafer silikon Hat, tetapi untuk membuat metamaterial tiga dimensi akan membutuhkan penumpukan wafer dengan cara yang rumit.

Setelah itu, para ilmuwan harus memecahkan masalah pembuatan metamaterial yang dapat menekuk tidak hanya satu frekuensi tetapi banyak. Ini mungkin tugas yang paling sulit, karena implan kecil yang telah dibuat sejauh ini membelokkan cahaya hanya dengan satu frekuensi yang tepat. Ilmuwan mungkin harus membuat metamaterial berdasarkan lapisan, dengan setiap lapisan membengkokkan frekuensi tertentu. Solusi untuk masalah ini tidak jelas.

Namun demikian, begitu perisai tembus pandang akhirnya dibuat, itu mungkin perangkat yang kikuk. Jubah Harry Potter terbuat dari kain tipis dan fleksibel dan membuat siapa pun yang terbungkus di dalamnya tidak terlihat. Tetapi agar ini memungkinkan, indeks pembiasan di dalam kain harus terus berubah dengan cara yang rumit karena kain itu berkibar, yang tidak praktis. Kemungkinan besar, "jubah" tembus pandang yang sebenarnya harus dibuat dari silinder metamaterial yang kokoh, setidaknya pada awalnya. Dengan cara itu indeks bias bisa diperbaiki di dalam silinder. (Versi yang lebih maju pada akhirnya dapat menggabungkan metamaterial yang fleksibel dan dapat memelintir dan masih membuat aliran cahaya di dalam metamaterial di jalur yang benar. Dengan cara ini, siapa pun yang berada di dalam jubah akan memiliki beberapa fleksibilitas gerakan)

Beberapa orang menunjukkan cacat pada perisai tembus pandang: siapa pun yang berada di samping tidak akan bisa melihat ke luar tanpa terlihat. Bayangkan Harry Potter benar-benar tidak terlihat kecuali matanya, yang tampak seperti melayang di udara. Lubang mata pada jubah tembus pandang akan terlihat jelas dari luar. Jika Harry Potter benar-benar tidak terlihat, maka dia akan duduk membabi buta di bawah jubah gaibnya. (Salah satu solusi yang mungkin untuk masalah ini mungkin dengan memasukkan dua pelat kaca kecil di dekat lokasi lubang mata. Pelat kaca ini akan bertindak sebagai "pemecah sinar", memisahkan sebagian kecil cahaya yang mengenai pelat, dan kemudian mengirimkan cahaya ke mata. Jadi sebagian besar cahaya yang mengenai jubah akan mengalir di sekitarnya, membuat orang tersebut terlihat, tetapi sejumlah kecil cahaya akan dialihkan ke mata.)

Walaupun kesulitan ini menakutkan, para ilmuwan dan insinyur optimis bahwa semacam perisai tembus pandang dapat dibangun dalam beberapa dekade mendatang.

Tembus Pandang dengan Nanoteknologi

Seperti yang saya sebutkan sebelumnya, kunci untuk tidak terlihat mungkin adalah teknologi nano, yaitu kemampuan untuk memanipulasi struktur berukuran atom sekitar sepermiliar meter. Kelahiran nanoteknologi berawal dari kuliah terkenal tahun 1959 yang diberikan oleh peraih Nobel Richard Feynman kepada American Physical Society, dengan judul bertuliskan "Ada Banyak Ruang di Bagian Bawah". Dalam kuliahnya itu dia berspekulasi tentang seperti apa mesin terkecil itu, sesuai dengan hukum fisika yang diketahui. Dia menyadari bahwa mesin dapat dibuat semakin kecil hingga mencapai jarak atom, dan kemudian atom dapat digunakan untuk membuat mesin lain. Mesin atom, seperti katrol, tuas, dan roda, berada dalam hukum fisika, simpulnya, meskipun mereka akan sangat sulit untuk dibuat.

Nanoteknologi merana selama bertahun-tahun, karena memanipulasi atom individu berada di luar teknologi waktu itu. Tetapi kemudian fisikawan membuat terobosan pada tahun 1981, dengan penemuan mikroskop penerowongan pemindaian, yang memenangkan Hadiah Nobel dalam Fisika untuk ilmuwan Gerd Biiinig dan Heinrich Rohrer, yang bekerja di lab IBM di Zurich.

Tiba-tiba fisikawan mampu memperoleh "gambar" yang menakjubkan dari atom-atom yang terbagi yang tersusun seperti dalam buku-buku kimia, sesuatu yang pernah dianggap mustahil oleh para kritikus teori atom. Foto-foto indah dari atom-atom yang berbaris dalam kristal atau logam sekarang dimungkinkan. Rumus kimia yang digunakan oleh para ilmuwan, dengan serangkaian atom kompleks yang terbungkus dalam sebuah molekul, dapat dilihat dengan mata telanjang. Selain itu, mikroskop penerowongan pemindaian memungkinkan manipulasi atom-atom individu. Faktanya, huruf "IBM" dieja.

keluar melalui atom individu, menciptakan kehebohan di dunia ilmiah. Ilmuwan tidak lagi buta ketika memanipulasi atom individu, tetapi benar-benar dapat melihat dan bermain dengannya.

Mikroskop tunneling scanning tampak sederhana. Seperti jarum fonograf yang memindai disk, probe tajam dilewatkan secara perlahan di atas bahan yang akan dianalisis. (Ujungnya sangat tajam sehingga hanya terdiri dari satu atom.) Sebuah muatan listrik kecil ditempatkan pada probe, dan arus mengalir dari probe, melalui material, dan ke permukaan di bawahnya. Saat probe melewati atom individu, jumlah arus yang mengalir melalui probe bervariasi, dan variasinya dicatat. Arus naik dan turun saat jarum melewati atom, dengan demikian menelusuri garis besarnya dengan sangat detail. Setelah beberapa kali lintasan, dengan memplot fluktuasi aliran arus, seseorang dapat memperoleh gambar yang indah dari masing-masing atom yang menyusun kisi.

(Mikroskop tunneling pemindaian dimungkinkan oleh hukum aneh fisika kuantum. Biasanya elektron tidak memiliki cukup energi untuk melewati probe, melalui zat, ke permukaan yang mendasarinya. Tetapi karena prinsip ketidakpastian, ada kemungkinan kecil bahwa elektron dalam arus akan "menerobos" atau menembus penghalang, meskipun hal ini dilarang oleh teori Newtonian. Jadi arus yang mengalir melalui probe peka terhadap efek kuantum kecil dalam materi. Saya akan membahas efek dari teori kuantum nanti secara lebih rinci.)

Probe juga cukup sensitif untuk menggerakkan atom individu, untuk menciptakan "mesin" sederhana dari atom individu. Teknologi ini sangat maju sekarang sehingga sekumpulan atom dapat ditampilkan di layar komputer dan kemudian, hanya dengan menggerakkan kursor komputer, atom dapat dipindahkan sesuka Anda. Anda dapat memanipulasi sejumlah atom sesuka Anda seolah-olah bermain dengan balok Lego. Selain mengeja huruf-huruf alfabet menggunakan atom individu, seseorang juga dapat membuat mainan atom, seperti sempoa yang terbuat dari atom individu. Atom disusun di atas permukaan, dengan slot vertikal. Di dalam slot vertikal ini, seseorang dapat memasukkan bola karbon Buckyballs (berbentuk seperti bola sepak, tetapi terbuat dari atom karbon individu). Bola karbon ini kemudian dapat dipindahkan ke atas dan ke bawah setiap slot, sehingga membuat sempoa atom.

Dimungkinkan juga untuk mengukir perangkat atom menggunakan berkas elektron. Misalnya, para ilmuwan di Cornell University telah membuat gitar terkecil di dunia, yang dua puluh kali lebih kecil dari rambut manusia, yang diukir dari kristal silikon. Ia memiliki enam string, masing-masing setebal seratus atom, dan string tersebut dapat dipetik menggunakan mikroskop gaya atom. (Gitar ini benar-benar akan memainkan musik, tetapi frekuensi yang dihasilkannya jauh di atas jangkauan telinga manusia.) Saat ini, sebagian besar "mesin" nanoteknologi ini hanyalah mainan. Mesin yang lebih rumit dengan roda gigi dan bantalan bola masih harus dibuat. Tetapi banyak insinyur merasa yakin bahwa akan tiba saatnya kami dapat memproduksi mesin atom yang sebenarnya. (Mesin atom sebenarnya ditemukan di alam. Sel dapat berenang bebas di dalam air karena mereka dapat menggoyangkan rambut-rambut kecil. Tetapi ketika seseorang menganalisis sambungan antara rambut dan sel, orang akan melihat bahwa itu sebenarnya adalah mesin atom yang memungkinkan rambut bergerak. ke segala arah. Jadi salah satu kunci untuk mengembangkan nanoteknologi adalah meniru alam, yang menguasai seni mesin atom miliaran tahun yang lalu.)

Tembus Pandang dengan Hologram

Cara lain untuk membuat seseorang tidak terlihat sebagian adalah dengan memotret pemandangan di belakang seseorang dan kemudian memproyeksikan gambar latar belakang itu langsung ke pakaian orang itu atau ke layar di depannya. Dilihat dari depan, tampak seolah-olah orang tersebut telah menjadi transparan, entah bagaimana cahaya telah menembus tubuh orang tersebut.

Naoki Kawakami, dari Laboratorium Tachi di Universitas Tokyo, telah bekerja keras dalam proses ini, yang disebut "kamuflase optik". Dia berkata, "Ini akan digunakan untuk membantu pilot melihat melalui lantai kokpit di landasan pacu di bawah, atau untuk pengemudi yang mencoba melihat melalui spatbor untuk memarkir mobil." "Jubah" Rawakami ditutupi dengan manik-manik kecil yang memantulkan cahaya yang berfungsi sebagai layar film. Sebuah kamera video memotret apa yang ada di balik jubah. Kemudian gambar ini dimasukkan ke dalam proyektor video yang menerangi bagian depan jubah, sehingga tampak seolah-olah cahaya telah melewati orang tersebut.

Prototipe jubah kamuflase optik sebenarnya ada di lab. Jika Anda melihat langsung ke seseorang yang mengenakan jubah seperti layar ini, tampaknya orang tersebut telah menghilang, karena yang Anda lihat hanyalah gambar di belakang orang tersebut. Tetapi jika Anda sedikit menggerakkan mata, gambar pada jubah tidak berubah, yang memberi tahu Anda bahwa itu palsu. Kamuflase optikal yang lebih realistis perlu untuk menciptakan ilusi gambar 3-D. Untuk ini, seseorang membutuhkan hologram.

Hologram adalah gambar 3-D yang dibuat dengan laser (seperti gambar 3-D Putri Leia di Star Wars). Seseorang dapat dibuat tidak terlihat jika pemandangan latar belakang difoto dengan kamera holografik khusus dan gambar holografik kemudian diproyeksikan melalui layar holografik khusus yang ditempatkan di depan orang tersebut. Penampil yang berdiri di depan seseorang akan melihat layar holografik, yang berisi gambar 3-D pemandangan latar belakang, tanpa orang tersebut. Tampaknya orang itu telah menghilang. Di tempat orang itu akan ada gambar 3-D pemandangan latar belakang yang tepat. Bahkan jika Anda menggerakkan mata, Anda tidak akan tahu bahwa apa yang Anda lihat itu palsu.

Gambar 3-D ini dimungkinkan karena sinar laser "koheren", artinya, semua gelombang bergetar secara serempak. Hologram diproduksi dengan membuat sinar laser koheren terbelah menjadi dua bagian. Setengah dari pancaran sinar pada film fotografi. Separuh lainnya menerangi sebuah objek, memantulkan minyak ', dan kemudian bersinar pada foto-Nya yang sama. Ketika dua sinar ini mengganggu film, pola interferensi dibuat yang mengkodekan semua informasi dari gelombang 3-D asli. Film ini, ketika dikembangkan, tidak terlihat banyak, hanya pola jaring laba-laba yang rumit dari pusaran dan garis. Tapi ketika sinar laser dibiarkan menyinari film ini, replika 3-D yang tepat dari objek aslinya tiba-tiba muncul seperti sihir.

Masalah teknis dengan holografik tembus pandang, bagaimanapun juga. Salah satu tantangannya adalah membuat kamera holografik yang mampu mengambil setidaknya 30 frame per detik. Masalah lainnya adalah menyimpan dan memproses semua informasi. Terakhir, seseorang perlu memproyeksikan gambar ini ke layar agar gambar terlihat realistis.

Tembus Pandang dengan Dimensi Keempat

Kami juga harus menyebutkan bahwa cara yang lebih canggih untuk menjadi tidak terlihat disebutkan oleh H. G. Wells dalam The Invisible Man, dan ini melibatkan penggunaan kekuatan dimensi keempat. (Nanti dalam buku ini saya akan membahas secara lebih rinci kemungkinan keberadaan dimensi yang lebih tinggi.) Bisakah kita meninggalkan alam semesta tiga dimensi kita dan melayang di atasnya dari sudut pandang dimensi keempat? Seperti kupu-kupu tiga dimensi yang melayang di atas selembar kertas dua dimensi, kita tidak akan terlihat oleh siapa pun yang hidup di alam semesta di bawah kita. Satu masalah dengan gagasan ini adalah bahwa dimensi yang lebih tinggi belum terbukti ada. Selain itu, perjalanan hipotetis ke dimensi yang lebih tinggi akan membutuhkan energi yang jauh melampaui apa pun yang dapat dicapai dengan teknologi kita saat ini.

Sebagai cara yang layak untuk mencapai tembus pandang, metode ini jelas di luar pengetahuan dan kemampuan kita saat ini. Mengingat langkah besar yang dibuat sejauh ini dalam mencapai ketidaktampakan, itu jelas memenuhi syarat sebagai ketidakmungkinan Kelas I. Dalam beberapa dekade mendatang, atau setidaknya dalam abad ini, suatu bentuk ketidaktampakan mungkin menjadi hal yang biasa.

Penutup

Sekali lagi fisika memberikan jawaban memuaskan bagi impian-impian masa kecil kita. Bukan hanya satu jawaban, melainkan banyak jawaban dengan berbagai macam kemungkinan. Apakah kita bisa menjadi manusia tembus pandang? Fisika telah menjawab.

Referensi dan Bacaan Lebih Lanjut

Jiang X, Liu Z, Liang Z, Yao P, Lin X and Chen H 2010 The Dynamical Study of the Metamaterial Systems Metamaterials: Theory, Design, and Applications ed T J Cui, D Smith and R Liu (Boston, MA: Springer US) pp 183–214

Zhu J, Chen T, Song X, Chen C, Liu Z and Zhang J 2019 Three-dimensional large-scale acoustic invisibility cloak with layered metamaterials for underwater operation Phys. Scr. 94 115003

Xu J, Kumar A, Chaturvedi P, Hsu K H and Fang N X 2010 Enhancing Light Coupling With Plasmonic Optical Antennas Metamaterials: Theory, Design, and Applications ed T J Cui, D Smith and R Liu (Boston, MA: Springer US) pp 271–91

Wong Z J, Wang Y, O’Brien K, Rho J, Yin X, Zhang S, Fang N, Yen T-J and Zhang X 2017 Optical and acoustic metamaterials: superlens, negative refractive index and invisibility cloak J. Opt. 19 084007

Liu R, Cui T J and Smith D R 2010 General Theory on Artificial Metamaterials Metamaterials: Theory, Design, and Applications ed T J Cui, D Smith and R Liu (Boston, MA: Springer US) pp 49–59

Liu R, Chin J Y, Ji C, Cui T J and Smith D R 2010 Experiment on Cloaking Devices Metamaterials: Theory, Design, and Applications ed T J Cui, D Smith and R Liu (Boston, MA: Springer US) pp 99–114

Liu R, Cheng Q, Cui T J and Smith D R 2010 Broadband and Low-Loss Non-Resonant Metamaterials Metamaterials: Theory, Design, and Applications ed T J Cui, D Smith and R Liu (Boston, MA: Springer US) pp 87–97

Liu H, Liu Y M, Li T, Wang S M, Zhu S N and Zhang X 2010 Magnetic Plasmon Modes Introduced by the Coupling Effect in Metamaterials Metamaterials: Theory, Design, and Applications ed T J Cui, D Smith and R Liu (Boston, MA: Springer US) pp 247–69

Li L-W, Li Y-N and Hu L 2010 Wideband and Low-Loss Metamaterials for Microwave and RF Applications: Fast Algorithm and Antenna Design Metamaterials: Theory, Design, and Applications ed T J Cui, D Smith and R Liu (Boston, MA: Springer US) pp 293–319

Jiang W X and Cui T J 2010 Optical Transformation Theory Metamaterials: Theory, Design, and Applications ed T J Cui, D Smith and R Liu (Boston, MA: Springer US) pp 21–48

Jiang W X, Chin J Y and Cui T J 2009 Anisotropic metamaterial devices Mater. Today 12 26–33

Islam S S, Faruque M R I and Islam M T 2015 A Near Zero Refractive Index Metamaterial for Electromagnetic Invisibility Cloaking Operation Materials 8 4790–804

Huang X, Xiao S, Zhou L, Wen W, Chan C T and Sheng P 2010 Photonic Metamaterials Based on Fractal Geometry Metamaterials: Theory, Design, and Applications ed T J Cui, D Smith and R Liu (Boston, MA: Springer US) pp 215–45

Hu X and He S 2010 Left-Handed Transmission Line of Low Pass and Its Applications Metamaterials: Theory, Design, and Applications ed T J Cui, D Smith and R Liu (Boston, MA: Springer US) pp 357–64

Feng Y 2010 Compensated Anisotropic Metamaterials: Manipulating Sub-wavelength Images Metamaterials: Theory, Design, and Applications ed T J Cui, D Smith and R Liu (Boston, MA: Springer US) pp 155–81

Feng L, Xu Y-L, Fegadolli W S, Lu M-H, Oliveira J E B, Almeida V R, Chen Y-F and Scherer A 2013 Experimental demonstration of a unidirectional reflectionless parity-time metamaterial at optical frequencies Nat. Mater. 12 108–13

Cui T J, Liu R and Smith D R 2010 Introduction to Metamaterials Metamaterials: Theory, Design, and Applications ed T J Cui, D Smith and R Liu (Boston, MA: Springer US) pp 1–19

Chin J Y, Liu R, Cui T J and Smith D R 2010 Rapid Design for Metamaterials Metamaterials: Theory, Design, and Applications ed T J Cui, D Smith and R Liu (Boston, MA: Springer US) pp 61–85

Cheng Q, Yang X M, Ma H F, Chin J Y, Cui T J, Liu R and Smith D R 2010 Experiments and Applications of Metamaterials in Microwave Regime Metamaterials: Theory, Design, and Applications ed T J Cui, D Smith and R Liu (Boston, MA: Springer US) pp 321–55

Argyropoulos C, Zhao Y, Kallos E and Hao Y 2010 Finite-Difference Time-Domain Modeling of Electromagnetic Cloaks Metamaterials: Theory, Design, and Applications ed T J Cui, D Smith and R Liu (Boston, MA: Springer US) pp 115–53

Alù A and Engheta N 2008 Plasmonic and metamaterial cloaking: physical mechanisms and potentials J. Opt. Pure Appl. Opt. 10 093002

Kaku, Michio. 2008. Physics of The Impossible: A Scientific Exploartion Into The World of Phasers, Force Fields, Teleporattion, and Time Travel. New York: Doubleday