Lumière coquine

2007/01/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Fisika

L'exemple du verre et du crayon a été utilisé plusieurs fois pour parler de la lumière. En mettant le crayon dans le verre, sans plonger complètement dans l'eau, on voit clairement l'effet de la réfraction : il semble que le crayon est cassé du point d'entrée à l'eau. C'est un effet optique, le crayon n'est pas cassé, mais les rayons lumineux changent de direction à ce point et l'œil voit la lumière (pas le crayon). C'est un effet de base.

Basique mais de grande importance. La lumière agit ainsi sur tout objet transparent et toute personne travaillant avec la lumière doit tenir compte de l'effet. La lumière est réfractée. Mais il n'est pas réfracté dans tous les matériaux; si l'huile est placée à la place de l'eau, il semble que le crayon est encore brisé, mais l'angle d'inclinaison n'est pas le même dans les deux cas. Il y a des matériaux qui provoquent à la lumière un angle plus grand que les autres, une réfraction différente. Les physiciens utilisent l'indice de réfraction pour l'exprimer : plus le nombre est élevé, plus la direction de la lumière incline le matériau.

Et bien sûr, plus le taux de réfraction est faible, moins la direction de la lumière s'aggrave. Mais où est la limite? L'indice de matériau incapable d'incliner la lumière sera zéro. Mais la valeur zéro ne doit pas être une limite, au moins en physique théorique. Zéro n'est pas une limite, mais le début du champ des nombres négatifs. Cette idée peut être appliquée à l'indice de réfraction, n'y a-t-il pas de matériel avec indice de réfraction négatif? Ce serait un matériau qui incline la lumière de l'autre côté.

Indice négatif

En entrant dans un matériau avec un indice de réfraction négatif, les rayons au lieu d'avancer dans la direction de la lumière reculaient. Ces matériaux ont été recherchés et trouvés. Ou plutôt, ils les ont fait.

Pour cela, ils ont dû comprendre la relation entre la lumière et la matière. Il existe des matériaux qui permettent le passage de la lumière - verre, eau ou air - et d'autres non -- bois, lait ou vapeur d'eau. Certains matériaux sont transparents et d'autres opaques. (Et d'autres sont intermédiaires parce qu'ils laissent passer une partie de la lumière). La question est pourquoi cela arrive.

La lumière est une onde électromagnétique. Cela signifie qu'il a deux composants: un champ électrique et un champ magnétique. Laisser passer ces deux zones c'est laisser passer la lumière. Voici la clé.

Ce sont deux caractéristiques : le champ électrique d'un côté et le champ magnétique de l'autre. La question est la facilité avec laquelle chacun d'eux traverse le matériel. Les physiciens utilisent deux paramètres qui le mesurent: la perméabilité électrique et magnétique, respectivement.

La permitivité électrique indique la réponse d'un matériau lorsqu'il rencontre un champ électrique. S'il est positif, tous les électrons du matériau se déplacent vers le côté qui pousse les zones et s'il est négatif vers le côté opposé. Dans la plupart des matériaux, c'est généralement positif, mais il y a des matériaux avec une autorisation négative, même dans la nature.

Il en va de même pour la perméabilité magnétique. Ce paramètre représente la réponse d'un matériau à un champ magnétique. Si elle est positive, la réponse magnétique est alignée avec le champ, c'est-à-dire placée dans la direction et la direction selon le champ, et si elle est négative dans la direction du champ, mais dans le sens inverse.

Un peu de mathématiques

Compte tenu de ces deux paramètres, vous comprenez ce qui se passe à la lumière lorsque vous rencontrez un matériau. L'indice de réfraction peut être facilement calculé à partir de ces deux paramètres en utilisant la formule simple suivante: n = www.euskaltel.com

Les symboles n,{ et ã, expriment respectivement l'indice de réfraction, la permitivité électrique et la perméabilité magnétique.

La formule est simple, c'est la racine carrée d'un produit, où se trouve la clé des variations de l'index. Quand la racine carrée donne un nombre réel, le taux de réfraction peut être positif ou négatif ; et quand la racine carrée donne un nombre imaginaire, le concept d'index de réfraction n'a pas de sens, c'est-à-dire que ce matériau est opaque.

En définitive, du point de vue des symboles des deux paramètres, il existe quatre options, car il s'agit de deux paramètres et chaque paramètre peut être positif ou négatif. Cependant, en ce qui concerne la réponse de la lumière, les matériaux peuvent être classés en trois groupes.

Les matériaux du premier groupe présentent les deux paramètres positifs. (Par conséquent, l'intérieur de la racine carrée est également positif, et la racine ayant une signification physique, indice de réfraction, est positif.) Par conséquent, ils laissent passer la lumière, c'est-à-dire qu'ils sont transparents. Les exemples les plus simples sont le verre, l'eau et l'air (exemples ci-dessus exposés). Bien sûr, le polyméthacrylate est très courant dans la technologie actuelle pour la fabrication d'objets transparents. Et il faut souligner que le vide se trouve également dans ce groupe, c'est-à-dire l'espace vide, qui du point de vue de la transmission de la lumière peut être considéré comme matériel, a des perméabilités et des perméabilités positives -- ce ne sont pas des zéros -, et c'est pourquoi il est transparent. C'est pourquoi nous voyons le soleil et les étoiles, entre autres choses.

Les éléments inclus dans le deuxième groupe ont un seul paramètre positif, l'autre est négatif. Cela peut être une perméabilité ou une perméabilité égale. Étant un négatif, mathématiquement, l'indice de réfraction est la racine carrée d'un nombre négatif. Cela n'a pas de signification physique et, en fait, ce matériel est opaque, ne laisse pas passer la lumière. Bien sûr, la nature est pleine de ces matériaux. L'argent, l'or et de nombreux autres métaux ont une perméabilité négative et positive. Ils sont opaques.

Dans les matériaux du dernier groupe, les deux paramètres sont négatifs, la permitivité et la perméabilité. En définitive, ils présentent un comportement "inverse" avec des champs électriques et magnétiques. Les deux. Pour ces matériaux, la racine ayant une signification physique, le taux de réfraction, est négatif. Dans ces matériaux, la lumière devient, pour ainsi dire, en arrière. Le problème est que ce type de matériaux ne sont pas dans la nature. Mais ils ont été faits artificiellement, ils sont métamatériaux.

Metamatériaux

Aujourd'hui, ils existent, mais jusqu'à récemment, ils n'étaient qu'un concept théorique ancien. Absence de matériaux dans la nature avec perméabilité électrique et magnétique négative.

En 1968, le physicien russe Victor Veselago annonça le comportement de ces matériaux en cas d'existence. Il a prédit le concept d'indice de réfraction négatif. Cependant, je ne savais pas comment ces matériaux pouvaient être faits. Le britannique John Pendry a fait une proposition en 2000.

L'idée de Pendry était de joindre deux anneaux de cuivre sans fermer, l'un à l'autre et unis par un fil conducteur. C'est une structure bidimensionnelle, mais si plusieurs de ses copies sont organisées en réseau tridimensionnel, le résultat peut être un métamatérial. Permet et perméabilité négative. L'idée était de John Pendry, le matériel qu'ils ont élaboré à l'Université de Californie, à San Diego, et ils ont pu confirmer que les prédictions de Veselago sont données dans la réalité.

En pratique, quoi ?

La technologie des métamatériaux est à ses premiers pas. Pour l'instant, il n'a été testé que dans les laboratoires de physique. De plus, avec la lumière visible, ils n'ont pas obtenu cet effet, car la perméabilité ou la perméabilité négative sont perdues pour les ondes supérieures aux micro-ondes. Pour obtenir l'effet de la réfraction négative, d'autres métamatériaux doivent être effectués.

Cependant, les résultats ne sont pas mauvais. Un exemple : ils affirment que des lentilles parfaites peuvent être faites. Les lentilles parfaites feraient ce que font les lentilles conventionnelles, mais sans provoquer l'aberration de la lumière. Ils seraient des lentilles plates et fines, car ils n'auraient pas besoin de courbes pour conduire le rayon de lumière. On pourrait donc faire des poids très légers, ce qui suppose une révolution dans le monde des lunettes, des télescopes, etc. Oui, pour cela, il faut chercher des métamatériaux qui fonctionnent avec la lumière visible.