Diseño de Pociones de Invisibilidad

Mediante Supercomputación

Alberto Serna Martín

Grado en Ingeniería de Sonido e Imagen

Directores:

Luis Landesa Porras

Javier Rivero Campos

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 1 / 24

1 Introducción

Objetivo

2 Desarrollo

Fundamentos

Proceso de optimización

Supercomputación

3 Resultados

4 Conclusiones

Líneas futuras

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 2 / 24

Introducción

Desarrollo de un nuevo método de invisibilidad.

I Reducción del campo dispersado.

I Procesos de optimización. Algoritmos genéticos.

I Análisis electromagnético.

I Supercomputación.

Otros proyectos.

I Extensión a amplio espectro.

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Introducción

Desarrollo de un nuevo método de invisibilidad.

I Reducción del campo dispersado.

I Procesos de optimización. Algoritmos genéticos.

I Análisis electromagnético.

I Supercomputación.

Otros proyectos.

I Extensión a amplio espectro.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 3 / 24

Introducción

Desarrollo de un nuevo método de invisibilidad.

I Reducción del campo dispersado.

I Procesos de optimización. Algoritmos genéticos.

I Análisis electromagnético.

I Supercomputación.

Otros proyectos.

I Extensión a amplio espectro.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 3 / 24

Introducción

Desarrollo de un nuevo método de invisibilidad.

I Reducción del campo dispersado.

I Procesos de optimización. Algoritmos genéticos.

I Análisis electromagnético.

I Supercomputación.

Otros proyectos.

I Extensión a amplio espectro.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 3 / 24

Introducción

Desarrollo de un nuevo método de invisibilidad.

I Reducción del campo dispersado.

I Procesos de optimización. Algoritmos genéticos.

I Análisis electromagnético.

I Supercomputación.

Otros proyectos.

I Extensión a amplio espectro.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 3 / 24

Introducción

Desarrollo de un nuevo método de invisibilidad.

I Reducción del campo dispersado.

I Procesos de optimización. Algoritmos genéticos.

I Análisis electromagnético.

I Supercomputación.

Otros proyectos.I Extensión a amplio espectro.

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Objetivo

Desarrollar el método de invisibilización �Pociones de Invisibilidad� y

demostrar su viabilidad.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 4 / 24

Objetivo

Desarrollar el método de invisibilización �Pociones de Invisibilidad� y

demostrar su viabilidad.

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¾Cómo invisibilizar? [I]

Transformation Optics.

Scattering Cancellation.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 5 / 24

¾Cómo invisibilizar? [I]

Transformation Optics.

Scattering Cancellation.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 5 / 24

¾Cómo invisibilizar? [I]

Transformation Optics.

Scattering Cancellation.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 5 / 24

¾Cómo invisibilizar? [II]

Transformation Optics.

Scattering Cancellation.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 6 / 24

¾Cómo invisibilizar? [II]

Transformation Optics.

Scattering Cancellation.

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Diferencias entre cloaking y la poción

Cloaking.

Poción.

Cambio de roles entre estructuras.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 7 / 24

Diferencias entre cloaking y la poción

Cloaking.

Poción.

Cambio de roles entre estructuras.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 7 / 24

Diferencias entre cloaking y la poción

Cloaking.

Poción.

Cambio de roles entre estructuras.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 7 / 24

Diferencias entre cloaking y la poción

Cloaking.

Poción.

Cambio de roles entre estructuras.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 7 / 24

¾Por qué no se ha desarrollado antes?

Modelo de rayos.

Impide la interacción luz-objeto.

I No se puede penetrar la estructura ainvisibilizar.

I Nuestro sistema no aportaría nada.

½ERROR!

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 8 / 24

¾Por qué no se ha desarrollado antes?

Modelo de rayos.

Impide la interacción luz-objeto.

I No se puede penetrar la estructura ainvisibilizar.

I Nuestro sistema no aportaría nada.

½ERROR!

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 8 / 24

¾Por qué no se ha desarrollado antes?

Modelo de rayos.

Impide la interacción luz-objeto.

I No se puede penetrar la estructura ainvisibilizar.

I Nuestro sistema no aportaría nada.

½ERROR!

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 8 / 24

¾Por qué no se ha desarrollado antes?

Modelo de rayos.

Impide la interacción luz-objeto.

I No se puede penetrar la estructura ainvisibilizar.

I Nuestro sistema no aportaría nada.

½ERROR!

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 8 / 24

¾Por qué no se ha desarrollado antes?

Modelo de rayos.

Impide la interacción luz-objeto.

I No se puede penetrar la estructura ainvisibilizar.

I Nuestro sistema no aportaría nada.

½ERROR!

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 8 / 24

¾Por qué no se ha desarrollado antes?

Modelo de rayos.

Impide la interacción luz-objeto.

I No se puede penetrar la estructura ainvisibilizar.

I Nuestro sistema no aportaría nada.

½ERROR!

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 8 / 24

Proceso de optimización

1 Población de individuos.

I Cada uno será una estructura.I Tendrá una distribución de parámetros por capa.

F Radio.

F Permitividad.

F Permeabilidad.

2 Se analizan todos los individuos.

3 Se evoluciona hasta la siguiente generación.

I Se cruzan las distribuciones de parámetros.

4 Tras N generaciones termina el proceso de evolución.

I Obtenemos la distribución del mejor individuo.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 9 / 24

Proceso de optimización

1 Población de individuos.

I Cada uno será una estructura.I Tendrá una distribución de parámetros por capa.

F Radio.

F Permitividad.

F Permeabilidad.

2 Se analizan todos los individuos.

3 Se evoluciona hasta la siguiente generación.

I Se cruzan las distribuciones de parámetros.

4 Tras N generaciones termina el proceso de evolución.

I Obtenemos la distribución del mejor individuo.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 9 / 24

Proceso de optimización

1 Población de individuos.I Cada uno será una estructura.

I Tendrá una distribución de parámetros por capa.

F Radio.

F Permitividad.

F Permeabilidad.

2 Se analizan todos los individuos.

3 Se evoluciona hasta la siguiente generación.

I Se cruzan las distribuciones de parámetros.

4 Tras N generaciones termina el proceso de evolución.

I Obtenemos la distribución del mejor individuo.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 9 / 24

Proceso de optimización

1 Población de individuos.I Cada uno será una estructura.I Tendrá una distribución de parámetros por capa.

F Radio.

F Permitividad.

F Permeabilidad.

2 Se analizan todos los individuos.

3 Se evoluciona hasta la siguiente generación.

I Se cruzan las distribuciones de parámetros.

4 Tras N generaciones termina el proceso de evolución.

I Obtenemos la distribución del mejor individuo.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 9 / 24

Proceso de optimización

1 Población de individuos.I Cada uno será una estructura.I Tendrá una distribución de parámetros por capa.

F Radio.

F Permitividad.

F Permeabilidad.

2 Se analizan todos los individuos.

3 Se evoluciona hasta la siguiente generación.

I Se cruzan las distribuciones de parámetros.

4 Tras N generaciones termina el proceso de evolución.

I Obtenemos la distribución del mejor individuo.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 9 / 24

Proceso de optimización

1 Población de individuos.I Cada uno será una estructura.I Tendrá una distribución de parámetros por capa.

F Radio.

F Permitividad.

F Permeabilidad.

2 Se analizan todos los individuos.

3 Se evoluciona hasta la siguiente generación.I Se cruzan las distribuciones de parámetros.

4 Tras N generaciones termina el proceso de evolución.

I Obtenemos la distribución del mejor individuo.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 9 / 24

Proceso de optimización

1 Población de individuos.I Cada uno será una estructura.I Tendrá una distribución de parámetros por capa.

F Radio.

F Permitividad.

F Permeabilidad.

2 Se analizan todos los individuos.

3 Se evoluciona hasta la siguiente generación.I Se cruzan las distribuciones de parámetros.

4 Tras N generaciones termina el proceso de evolución.I Obtenemos la distribución del mejor individuo.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 9 / 24

HPC - High Performance Computing

Supercomputador Lusitania.I 2 nodos homogéneos.I 64 procesadores/nodo dual core Intel

Itanium.I 2 TB memoria RAM.

Cluster Auxiliar.

I 9 nodos heterogéneos.I 8/64 cores/nodo, Intel Xeon.I 64/512 GB RAM/nodo.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 10 / 24

HPC - High Performance Computing

Supercomputador Lusitania.I 2 nodos homogéneos.I 64 procesadores/nodo dual core Intel

Itanium.I 2 TB memoria RAM.

Cluster Auxiliar.I 9 nodos heterogéneos.

I 8/64 cores/nodo, Intel Xeon.I 64/512 GB RAM/nodo.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 10 / 24

HPC - High Performance Computing

Supercomputador Lusitania.I 2 nodos homogéneos.I 64 procesadores/nodo dual core Intel

Itanium.I 2 TB memoria RAM.

Cluster Auxiliar.I 9 nodos heterogéneos.I 8/64 cores/nodo, Intel Xeon.I 64/512 GB RAM/nodo.

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Resultados

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 11 / 24

Resultados [I]

Representación en el dominio temporal. Longitud de onda incidente 525nm.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 12 / 24

Resultados [II]

Representación en el dominio temporal. Longitud de onda incidente 420nm.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 13 / 24

Resultados [III]

200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700−20

−15

−10

−5

0

5

10

15

20

25

30Campo dispersado vs longitud de onda incidente

Longitud de onda incidente, nm

Sca

tte

rin

g C

ross

Se

ctio

n, d

Bsm

Esfera vacía

Sim. #1

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 14 / 24

Resultados [IV]

Representación en el dominio temporal. Longitud de onda incidente 480nm.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 15 / 24

Resultados [V]

Representación en el dominio temporal. Longitud de onda incidente 480nm.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 16 / 24

Conclusiones

Se ha demostrado la viabilidad del método.

Puede presentar un comportamiento estable en frecuencia.

I Hasta un 60% del espectro óptico.

Compromiso efectividad-material de la estructura.

I Penetrabilidad.I Pérdidas.

No sirve para metales.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 17 / 24

Conclusiones

Se ha demostrado la viabilidad del método.

Puede presentar un comportamiento estable en frecuencia.

I Hasta un 60% del espectro óptico.

Compromiso efectividad-material de la estructura.

I Penetrabilidad.I Pérdidas.

No sirve para metales.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 17 / 24

Conclusiones

Se ha demostrado la viabilidad del método.

Puede presentar un comportamiento estable en frecuencia.

I Hasta un 60% del espectro óptico.

Compromiso efectividad-material de la estructura.

I Penetrabilidad.I Pérdidas.

No sirve para metales.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 17 / 24

Conclusiones

Se ha demostrado la viabilidad del método.

Puede presentar un comportamiento estable en frecuencia.

I Hasta un 60% del espectro óptico.

Compromiso efectividad-material de la estructura.

I Penetrabilidad.I Pérdidas.

No sirve para metales.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 17 / 24

Conclusiones

Se ha demostrado la viabilidad del método.

Puede presentar un comportamiento estable en frecuencia.

I Hasta un 60% del espectro óptico.

Compromiso efectividad-material de la estructura.

I Penetrabilidad.I Pérdidas.

No sirve para metales. ¾O puede que sí?

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 18 / 24

Entrando en la jaula de Faraday

La jaula es válida para conductores perfectos.

Comportamiento dependiente de la frecuencia.

I Frecuencia de plasma.I Pasan a comportarse como materiales plasmónicos.I Desaparece el efecto jaula de Faraday.

Nuestro sistema recupera su funcionalidad.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 19 / 24

Entrando en la jaula de Faraday

La jaula es válida para conductores perfectos.

Comportamiento dependiente de la frecuencia.

I Frecuencia de plasma.I Pasan a comportarse como materiales plasmónicos.I Desaparece el efecto jaula de Faraday.

Nuestro sistema recupera su funcionalidad.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 19 / 24

Entrando en la jaula de Faraday

La jaula es válida para conductores perfectos.

Comportamiento dependiente de la frecuencia.

I Frecuencia de plasma.I Pasan a comportarse como materiales plasmónicos.

I Desaparece el efecto jaula de Faraday.

Nuestro sistema recupera su funcionalidad.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 19 / 24

Entrando en la jaula de Faraday

La jaula es válida para conductores perfectos.

Comportamiento dependiente de la frecuencia.

I Frecuencia de plasma.I Pasan a comportarse como materiales plasmónicos.I Desaparece el efecto jaula de Faraday.

Nuestro sistema recupera su funcionalidad.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 19 / 24

Entrando en la jaula de Faraday

La jaula es válida para conductores perfectos.

Comportamiento dependiente de la frecuencia.

I Frecuencia de plasma.I Pasan a comportarse como materiales plasmónicos.I Desaparece el efecto jaula de Faraday.

Nuestro sistema recupera su funcionalidad.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 19 / 24

Entrando en la jaula de Faraday - Resultados [I]

200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700−20

−15

−10

−5

0

5

10

15

20

Incident wavelength, nm

Scattering Cross Section, dBsm

Frecuency response representation of the invisibilized gold sphere

Empty sphere A

Sim. #1

Sim. #3

Sim. #4

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 20 / 24

Entrando en la jaula de Faraday - Resultados [II]

Representación en el dominio temporal. Longitud de onda incidente 540nm.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 21 / 24

Entrando en la jaula de Faraday - Resultados [III]

Representación en el dominio temporal. Longitud de onda incidente 540nm.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 22 / 24

Líneas futuras

Considerar el carácter dispersivo de los materiales.

Comportamiento del sistema con otros objetos próximos.

Inclusión de elementos activos de refuerzo para compensar pérdidas y

otros problemas.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 23 / 24

Líneas futuras

Considerar el carácter dispersivo de los materiales.

Comportamiento del sistema con otros objetos próximos.

Inclusión de elementos activos de refuerzo para compensar pérdidas y

otros problemas.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 23 / 24

Líneas futuras

Considerar el carácter dispersivo de los materiales.

Comportamiento del sistema con otros objetos próximos.

Inclusión de elementos activos de refuerzo para compensar pérdidas y

otros problemas.

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 23 / 24

�Pero esto no era un método, sino una idea que conduciría a un método, a

través del cual sería posible, sin cambiar ninguna propiedad de la materia.�

- Gri�n, el Hombre Invisible -

Gracias por la atención

Alberto Serna Martín Diseño de Pociones de Invisibilidad julio 2013 24 / 24