Transform a ball into a rock -- or make it invisible -- using transformation optics
투명 망토를 이용하여 물체를 감출 수 있는 내용을 소재로 한 공상 과학 소설이나 영화가 많은 사람들의 호기심을 자극하고 있다. 투명망토 디바이스를 사용한 보이지 않는 우주선이나 투명망토를 걸친 마법사와 같이 사람의 눈에서 물체가 사라지게 하는 것은 매우 환상적인 이야기 소재이다. 최근 과학자들은 실제로 빛을 특정한 영역 주위로 휘게 만들어 물체를 안보이게 하는데 성공하였다.
그러나 이런 종류의 디바이스는 물체를 안보이게 하기 위해서는 직접적으로 물체에 닿거나 매우 가까이 놓여야 한다는 한계가 있다. 빛을 휘게 하는 대신에 변환 광학으로 물체를 감추거나 또는 물체를 완전히 다르게 보이게 하는 것은 어떤가? 홍콩 과학 기술 대학의 이론 물리학자 연구팀은 원격 디바이스로 이를 실현할 수 있는 기술을 제안하였다.
이들의 제안은 “Illusion Optics: The Optical Transformation of an Object into Another Object” 이라는 제목으로 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters) 저널에 발표되었다. 현재의 투명 망토 디바이스는 빛을 물체 주위로 휘게 만들어 물체가 마치 없는 것처럼 보이게 하는 원리라고 이 연구를 주도하고 있는 홍콩 과학 기술 대학의 체팅 찬(Che Ting Chan)은 말하였다. 찬은 제한된 공간 안에서 물체를 변환시키는 착시광학(illusion optics)을 사용하는 디바이스를 제안하였다.
그는 그들이 제안한 디바이스가 특별한 특성을 가지고 있으며 물체를 정확하게 다른 물체처럼 보이기 하는 일종의 착시를 만들어 내는 것이라고 말하였다. 이 디바이스를 제작하기 위해서는 특별한 성질을 가진 인위적인 메타물질을 사용하여야 한다. 보완 매체가 특정한 영역을 광학적으로 상쇄시키기 위하여 사용된다. 그리고 복원 매체가 상쇄된 공간이 다른 형태로 나타나도록 만드는 데 사용된다. 복원된 영역은 마치 공기처럼 아무것도 보이지 않게 된다.
찬은 이 방법은 또한 이론적으로 물체를 변환하는데 사용될 수 있다고 말하였다. 그는 이 방법은 또한 공을 돌처럼 보이게 만들 수 있다고 말하였다. 물체를 다른 것으로 보이게 하는 것 이외에도 이 디바이스는 현재의 투명 망토 디바이스에 비해서 또 다른 장점이 있다. 현재의 투명 망토 디바이스와는 달리 이 디바이스는 물체를 안보이게 하기 위해서 물체를 건드릴 필요가 없다고 연구진은 말하였다.
가까이 갈 필요 없이 원격으로 특정한 영역을 특정한 파장에 대해서 완전히 가려질 수 있도록 조절하는 것이 가능하다고 연구진은 주장하였다. 이 디바이스가 유망할 것으로 보이지만 찬은 이와 같은 디바이스를 제작하는 것은 어려움이 있을 것이라고 인정하였다. 이 디바이스를 제작하기 위해서는 양의 굴절율을 가진 물질뿐만 아니라 음의 굴절율을 가진 물질도 필요하다. 양의 굴절율을 가진 물질은 쉽게 제작할 수 있지만 음의 굴절율을 가진 물질은 특별한 디자인이 필요하다.
찬은 위상 지연을 위한 특별한 구조가 필요하다고 말하였다. 찬과 홍통 연구진은 이 이론을 실험할 준비를 하고 있다. 이들 연구진은 전자기파로 실험할 예정이지만 현재 음파에 대해서 비슷한 실험을 하는 연구진이 있기 때문에 음파에 먼저 그들의 아디디어를 적용하면 어떻게 빛을 포함한 영역으로 확장될 수 있는지를 더 쉽게 알 수 있을 것이라고 말하였다.
첨부그림: 물체의 (남자) 입체적인 이미지를 변환시켜 착시(여자)로 변환시키는 착시 디바이스의 작동원리. (a) 실제 공간에서 남자(물체)와 착시 디바이스. (b) 착시 공간에서 여자(착시). (c) 실제 공간에서 시스템의 물리적 기술. 착시 디바이스는 광학적으로 남자(영역 3)를 포함한 공간 일부를 상쇄시키는 보완매체(영역 2)와 착시(그림 (d)에서 영역 4)를 포함한 착시 공간 일부를 복원시키는 복원매체로 이루어졌다. 실공간과 착시공간은 같은 가상경계(점선 곡선)을 공유한다.
http://www.physorg.com/news166350509.html
Transform a ball into a rock -- or make it invisible -- using transformation optics
July 9th, 2009 By Miranda Marquit 
Image from Phys. Rev. Lett. 102, 253902 (2009). (c)2009 APS. Reprinted with permission.
(PhysOrg.com) -- Science fiction and fantasy tales are full of the ability to "cloak" characters with invisibility. Whether it is a spaceship with a cloaking device, or a young wizard with an invisibility cloak, the interest in rendering someone or something invisible captures our fancy. Scientists have succeeded in creating the illusion of invisibility by bending light around a region for concealment. These types of devices have limitations, however; one of these limitation that the device normally has to be touching the object to be rendered invisible - or in very close proximity.
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Instead of bending light, though, what if transformation optics was used to create invisibility - or even give an object the appearance of a completely different object? A team of theorists at the Hong Kong University of Science and Technology propose a technique that might be able to accomplish just that, with a remote device. The group’s proposal appears in Physical Review Letters: “IllusionOptics: The Optical Transformation of an Object into Another Object.”
“Right now, invisibility devices bend light, steering it around an object to make it appear transparent, as if it weren’t there,” Che Ting Chan tells PhysOrg.com. Chan is one of the scientists who proposed the idea of a device that would use illusion optics to transform objects within a confined space. “Our proposed device would have special properties. It would employ a type of illusion that makes an object look exactly like another object.”
Metamaterials, which are manmade with special properties, would be used. A “complementary medium” would be employed to optically cancel a specified area. Then, a “restoring medium” would be used to make the cancelled space “reappear” as something else. For invisibility, the restored area would look like air. “If it looks like air,” Chan explains, “then it is transparent. You can see through it. It is like making something invisible.” This method could also, theoretically, be used to “transform” objects. “You could make a ball look like a rock,” Chan says. “You could hide something in plain sight, as something else.”
In addition to transforming the way an object looks to others, this device would have another advantage over current invisibility devices. “You wouldn’t have to need the device to touch the object being hidden,” Chan insists. “You could remotely control a particular area to entirely exclude a specific wave without having to be as close.”
While the device sounds promising, Chan admits that there are difficulties involved in building such a cloak. “In addition to positive refractive material, which is not a big problem, we would require a negative refractive index.” Positive refractive materials are easily made, but something with a negative refractive index would require special design. “Some sort of structure to create a phase delay would be needed,” Chan says.
Chan and the Hong Kong team are working on interesting experimentalists in the concept. “We are dealing with electromagnetic waves,” Chan explains, “but there are those who are doing similar experiments with acoustic waves. Maybe if our idea was applied to acoustic waves first, it would be easier to see how to extend it to include light.”
More Information: Yun Lai, Jack Ng, HuanYang Chen, DeZhuan Han, JunJun Xiao, Zhao-Qing Zhang, and C.T. Chan, “Illusion Optics: The Optical Transformation of an Object into Another Object,” Physical Review Letters (2009). Available online: http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.102.253902.
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Source : KISTI, physorg.com
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