எதிர்மறை ஒளிவிலகல்

எதிர்மறை ஒளிவிலகல் (negative refraction) என்னும் கருப்பொருள் நவீன மின்காந்தவியலின் பெரும்பகுதியை உள்ளடக்கியது. உருசிய நாட்டு அறிவியலாளர் விக்டர் வெசலாகோ அவர்களின் கருத்தியல் எடுகோள்களின் படி (1968)V. G. Veselago, Sov. Phys. Uspekhi, 10, 509 (1968), எதிர்மறை ஒளிவிலகலை பின்வருமாறு வரையறுக்கலாம்: திசையமைவு மற்றும் ஒருபடித்தானப் பண்புகளைக் கொண்ட ஒரு பருப்பொருள் ஊடகத்தின் ஒளி உட்புகுதிறனும், ஊடுருவுதிறனும் எதிர்மறை மதிப்புகளைப் பெற்றிருக்குமாயின், அவ்வூடகத்தில் ஒளி விலகலானது, மரபுசார் பருப்பொருள்களைப் போல் அல்லாமல் எதிர்மறையாக இருக்கும். இவ்வூடகங்களின் ஒளிவிலகல் எண், எதிர்மறை மதிப்பைக் கொண்டிருக்கும்.

எடுத்துக்காட்டாக, மேற்கூறிய கருத்தியல் கொள்கையின்படி, ஊடகத்தின் ஒளிவிலகல் எண்  எதிர்மறையாக இருக்குமாயின், ஒளிவிலகலானது படம் 1-இல் காட்டியுள்ளதைப் போன்று இருக்கும்.

எதிர்மறை ஒளிவிலகல் எண் தெரிவும், ஆய்வகச் சோதனையும்
பருப்பொருள் ஊடகங்களில், ஒளிவிலகல் எண்ணுக்கான வரையறை ஸ்நெல் [2] விதியின் படி பெறப்படுகிறது. எனினும் மாக்ஸ்வெல்லின் [3] விதிப்படி, ஒளிவிலகல் எண்ணை, ஊடகங்களின் உள்ளார்ந்த பண்புகளோடு பின்வருமாறு தொடர்பு படுத்த இயலும். இங்கு n என்பது ஒளி விலகல் எண்ணையும், εr என்பது ஒளி உட்புகுதிறனையும், μr என்பது ஒளி ஊடுருவுதிறனையும் குறிக்கும். εr மற்றும் μr நேர்மறை மதிப்புகளைப் பெற்றிருக்கும் பொழுது, nம் நேர்மறை மதிப்பைப் பெற்றிருக்கும். εr,μrஆகியவற்றில் ஏதேனும் ஒன்று எதிர்மறை மதிப்பைப் பெறும் பொழுது (எடுத்துக்காட்டாக, மீயுயர் அயனியாக்கப்பட்ட வளிமங்களிலும் [பிளாஸ்மாக்கள்], கண்ணுறு ஒளியில் உலோகங்களிலும் [எ.கா. தாமிரம்] εr எதிர்மறை மதிப்பைப் பெற்றிருக்கும்.), nக்குரியத் தீர்வு சிக்கலெண் முலம் பெறப்படும்.  εr மற்றும் μr ஆகிய இரண்டும் எதிர்மறை மதிப்பைப் பெறும் பொழுது, nக்குரியத் தீர்வுகளில் எதிர்மறை மதிப்பும் ஒரு தீர்வாக இருக்கின்றது (ஏனெனில் எந்தவொரு எண்ணின் வர்க்க மூலத்திற்கானத்  தீர்வும் நேர்மறை மற்றும் எதிர்மறை மதிப்புகளைப் பெற்றிருக்கும்). இதன் மூலம் n மதிப்பிற்கானக் குறீயீட்டுத் தேர்வு(+ அல்லது -), ஊடகங்களில் ஒளிவிலகலின் திசையைப் பொருத்துத் தெரிவு செய்யப்படும் என்பது தெளிவாகிறது.

இயற்கையில் கிடைக்கின்ற எந்தவொரு பருப்பொருள் ஊடகத்தின் εr, μr பண்புகளும் எதிர்மறை மதிப்புகளை ஒருங்கே பெற்றிருக்கவில்லை. எனினும், கி.பி. 2001மாவது ஆண்டில், ஷெல்பை மற்றும் ஸ்மித்[4] தலைமையிலான அறிவியற் குழு, செப்புக் கம்பிகள் மற்றும் சுருள்களால் ஆன செயற்கைச் சேர்மத்தில் (படத்தைக் காண மேற்கோள் ஐந்தைச் [5] சொடுக்கவும்), எதிர்மறை ஒளிவிலகலை, நுண்ணலைகளைக் (மைக்ரோ அலைகள்) கொண்டு ஆய்வுச் சோதனையின் மூலம் நிரூபித்தனர்.

இவ்வகைச் செயற்கைச் சேர்மங்களின் உட்புகுதிறன், ஊடுருவுதிறன் மற்றும் ஒளிவிலகல் எண், நுண்ணலைகளின் அதிர்வெண்ணைப் பொருத்து எதிர்மறை மதிப்பைப் பெற்றிருந்தன. குறிப்பாக, இவ்வூடகங்களின் ஒளி விலகல் எண் -1ஆகும். மேலும் இவ்வூடகங்கள் திசையமைவு, நேர்கோட்டு மற்றும் ஒருபடித்தானப் பண்புகளையும் பெற்றிருந்தன. எனினும், இவ்வகைப் பருப்பொருள் ஊடகத்தின் பண்புகளை, அடிப்படை ஒளியியல் விதிகளின் படி விளக்க இயலாததால், இவ்வூடகங்கள் 'மெட்டாப்பருப்பொருள்கள்' எனவும் அழைக்கப்படுகின்றன. இங்கு 'மெட்டா' என்பது. அறியயிலாத அல்லது விளக்கவியலாத எனும் பொருள் தரும் கிரேக்க மொழிச் சொல்லாகும்.

எதிர்மறை ஒளி ஊடகங்களின் பண்புகள் மற்றும் பயன்கள்

ஒரு பருப்பொருள் ஊடகம் எதிர்மறை ஒளிவிலகல் எண்ணைப் பெற்றிருக்குமாயின், அவ்வூடகமானது, ஒரு புள்ளி ஒளிமூலத்திலிருந்து பெறப்படும் ஒளியை இரு முறை குவிக்கும்.  முதல் குவியம் ஊடகத்தின் உட்புறத்திலும், இரண்டாவது குவியம் ஊடகத்தின் வெளிப்புறத்திலும் இருக்கும். படம் 2இல் காண்பிக்கப்பட்டுள்ள கதிர் வரைபடம், எதிர்மறை ஊடகத்தில் இரட்டைக் குவிதலை விளக்குகின்றது. 
இரட்டை ஒளிக்குவிதல் நிகழ்வு
எதிர்மறை ஊடகங்களில் இரட்டை ஒளிக்குவிதல் நிகழ்வு, விக்டர் வெசலோகோவின் கருத்தியல் கோட்பாடுகளில் முக்கியத்துவம் வாய்ந்த ஒன்று. மேலும் இஃது இங்கிலாந்து நாட்டு அறிவியலார் சான் பென்ட்ரி அவர்களால் கோட்பாடுகள் மற்றும் ஆய்வுகள் [6] மூலமாகவும் நிரூபிக்கப்பட்டுள்ளது.


சான் பென்ட்ரியின் ஆய்வு முடிவுகளின்படி, எதிர்மறை ஒளிவிலகல் எண்ணைப் பெற்றிருக்கிற பருப்பொருள் ஊடகத்தின் மூலம் பூரண அல்லது குறைவில்லா ஒளிவில்லைகளைப் பெற இயலும். மேலும் எதிர்மறை ஒளிவிலகலைப் பொறுத்தவரைத் தட்டையான பருப்பொருளே ஒளியைக் குவிக்க போதுமானது. அதாவது, மரபுசார் ஒளிவில்லைகளைப் (குவி மற்றும் குழி லென்சுகள்) போல் அல்லாமல், எதிர்மறை ஒளிவில்லைகளில் ஒளியைக் குவிக்க, வளைந்த பரப்பு தேவையில்லை. படம் 3இல் பூரண ஒளிவில்லையின் செயல்பாடு தருவிக்கப்பட்டுள்ளது. 
படம் 1 மற்றும் 3, மின்காந்த அலைச்சமன்பாட்டைத் தீர்க்க உதவும் மென்பொருளின் மூலம் உருவாக்கப்பட்டது. இங்கு, ஒரு புள்ளி ஒளிமூலத்தால் பெறப்படுகின்ற நுண்ணலைகள், எதிர்மறைப் பருப்பொருள் ஊடகத்தால் இருமுறை (ஊடகத்திற்கு உள்ளேயும் வெளியேயும்) குவிக்கப்படுகிறது.

மீயுயர் ஒளி பிரிதிறன்
எதிர்மறை ஒளிவிலகல் ஊடகத்தின் குறிப்பிடத்தகுந்த பண்புகளுள் மீயுயர் ஒளி பிரிதிறனும் ஒன்று. எந்தவொரு மரபுசார் ஒளிக்கருவிகளாலும் (கண், தொலைநோக்கி போன்றவை), பயன்படுத்துகிற ஒளியின் அலைநீளத்தை விட, மிகக் குறைந்த பரிமாணம் கொண்ட எந்தவொரு பொருளையும் பிரித்தறிய இயலாது. அதாவது, ஒவ்வோர் ஒளிக்கருவிக்கும் பிரித்தறியும் திறனுக்கான எல்லை உண்டு (இதனை இராலேயின் பிரித்தறியும் திறனுக்கான எல்லை மூலம் வரையறுக்கலாம்). ஆனால் ஓர் ஒளிக்கருவி, எதிர்மறை பருப்பொருள் ஊடகத்தின் மூலம் உருவாக்கப்படுமாயின், அவ்வொளிக்கருவி மூலம், பயன்படுத்துகிற ஒளியின் அலைநீளத்தை விட, மிகக் குறைந்த பரிமாணம் கொண்ட எந்தவொரு பொருளையும் பிரித்தறிய இயலும். ஏனெனில், எதிர்மறை ஒளி விலகல் ஊடகங்கள், ஒளி மூலத்திலிருந்து பெறப்படும் அண்மைப் புலங்களைப் (near fields) பெருக்கம் செய்கின்றன. அண்மைப் புலங்களின் பயன்பாட்டின் மூலமே, ஓர் ஒளிக்கருவியால் மீச்சிறு பொருள்களைப் பிரித்தறிய இயலும் என்பதும் இவ்விடத்துக் குறிப்பிடத்தகுந்த ஒன்றாகும்.

எதிர் நோக்கும் சவால்கள் 
எதிர்மறை ஒளிவிலகல் ஊடகத்தால் ஒரு பொருள் சூழப்பட்டிருக்குமானால், மின்காந்த அலைகளால் அப்பொருளை உணர இயலாது. இதனை எதிர்மறைப் பருப்பொருளின் மறைத்தல் (Cloaking) [7] அல்லது புலப்படா  விளைவு (Invisibility) எனலாம். எதிர்மறைப் பருப்பொருள்களில் அசாதாரண ஒளி விலகல் நிகழ்வும் முழு உட்கவர்தலும் இவ்விளைவிற்கான மூலங்களாகக் கண்டறியப்பட்டுள்ளன. கருத்தியல் மற்றும் ஆய்வகச் சோதனையின் வாயிலாக இவ்விளைவு நிரூபிக்கப்பட்டிருப்பினும், நடைமுறையில் மறைத்தல் விளைவு இதுவரை பயன்படுத்தப்படவில்லை என்பது குறிப்பிடத்தகுந்த சவால்களுள் ஒன்றாகும்.

மீயுயர் ஒளி பிரிதிறனைப் பொறுத்தவரை, உருப்பெருக்கப்பட வேண்டிய பொருள் தட்டை ஒளிவில்லைக்கு மிக அருகில் (ஒளியின் அலைநீளத்தை விடக் குறைவாக) வைக்கப்படும் பொழுது மட்டுமே சாத்தியமாகிறது. இது மற்றுமோர் கவனிக்கத்தகுந்த சவால்களுள் ஒன்று. மேலும், எதிர்மறை ஒளி விலகல் நிகழ்வானது ஒளியில் மட்டுமல்லாது ஒலியிலும் நிரூபிக்கப்பட்டுள்ளது (இதனை எதிர்மறை ஒலிவிலகல் நிகழ்வு எனலாம்). இதன் பொருட்டு, அடிப்படைக் கருத்தியல் கோட்பாடுகளிலும் ஆய்வகச் சோதனைகளிலும் முன்னேற்றம் காண்பது அவசியமாகிறது.

மேற்கோள்கள்

F.A.  Jenkins and H.E. White, Fundamentals of optics, 12-13 (1981).
S.A. Ramakrishna and T.M. Grzegorczyk, physics and applications of negative refractive index materials, 4-10 (2009).
R.A. Shelby, D.R. Smith, and S. Schultz, Science 292, 77-79 (2001).
செயற்கை எதிர்மறைப் பருப்பொருளின் படம் இங்கு உள்ளது. http://physics.ucsd.edu/~drs
J.B. Pendry, Phys. Rev. Lett. 85, 3966-3969 (2000).
D. Schurig et.al., Science, 314, 977-980 (2006).

பகுப்பு:இயற்பியல்
பகுப்பு:பரிசு பெற்ற கட்டுரைகள் (2010 கட்டுரைப் போட்டி)
பகுப்பு:மின்னணுவியல்
பகுப்பு:இயற்பியல் கோட்பாடுகள்