Юный техник, 2009 № 12

В. ВЛАДИМИРОВ

Обмундирование для «призраков» скоро будет готово

Мы и в самом деле уже не раз рассказывали вам об удивительных свойствах метаматериалов. Время идет, ученые работают и сообщают все новые подробности о своих разработках, но начать стоит с истории.

Еще в 1660 году французский математик Пьер Ферма (тот самый, что сформулировал условия своей знаменитой теоремы, которую удалось доказать лишь недавно, спустя 300 с лишним лет) выдвинул еще один постулат: он предположил, что луч света всегда выбирает кратчайший путь, то есть движется по прямой. А если встречается препятствие, часть лучей света рассеивается, часть отражается, благодаря чему мы и видим изображение предметов.

Но что, если изменить свойства участка пространства таким образом, чтобы световые лучи стали огибать его, считая именно этот путь самым коротким?

Уподобим окружающее нас пространство некой ткани, в которой составляющие ее волокна представляют собой траектории световых лучей. В обычном состоянии лучи идут прямо, как нити в полотне. Если же аккуратно раздвинуть волокна, не повреждая их, получится дырка — пустой участок, куда лучи света не попадают вообще. И любой объект, попавший в такую дыру, покажется невидимым.

Искривлять световые лучи ученые уже научились. Например, достаточно загнать их внутрь оптического волокна, и хоть в узел завяжи — луч света все равно не выйдет за его пределы.

Но можно ли проделать подобный «фокус» в пространстве?

Посмотрите хотя бы на карандаш, опущенный в стакан с водой. Видите, на границе воды и воздуха карандаш будто изломан, хотя на самом деле он цел-невредим. Такой обман зрения обеспечивает преломление света на границе двух сред — воздуха и воды.

Коэффициент преломления материала показывает, насколько луч отклоняется от прямой, когда переходит из одной среды в другую. Он определяется диэлектрической и магнитной проницаемостью вещества. Подобрав вещества с определенными значениями этих двух параметров, можно, что называется, «поиграть» со светом, создавая странные эффекты.

Впрочем, чтобы создать «шапку-невидимку», придется соблюсти две тонкости. Во-первых, необходимо, чтобы луч света изгибался плавно. А для этого нужно, чтобы параметры среды менялись постепенно. Во-вторых, чтобы добиться невидимости, нужны материалы, у которых и диэлектрическая, и магнитная проницаемость меньше единицы.

В природе таких материалов просто нет, их пришлось создавать искусственно.

Впервые о возможности создания метаматериалов с необычными, заранее заданными качествами, как мы писали, еще в 1967 году заговорил советский физик Виктор Веселаго, сотрудник Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН.

Теоретики наши и по сей день на высоте — вспомним хотя бы о разработках ульяновского профессора Олега Гадомского, несколько лет назад опубликовавшего еще одно сенсационное исследование подобных материалов — он доказал возможность получения эффекта невидимости в тонких золотых пленках. А вот с практикой дело сложнее.

Впервые создать метаматериал с определенными свойствами удалось в 2000 году американцам. Шесть лет спустя группа ученых США и Великобритании под руководством профессора Дэвида Смита сконструировала и прототип устройства, которое могло скрыть объект от микроволнового излучения.

Первая в мире «шапка-невидимка» представляла собой десяток вложенных друг в друга цилиндров из печатных плат с «вставленными» в них резонансными элементами. В самый маленький цилиндр исследователи спрятали медный стержень. Затем всю конструкцию «прощупали» электромагнитным излучением, наблюдая за его отражением. Устройство действительно создавало иллюзию пустого пространства.

Правда, выявились и слабые места конструкции. Во-первых, «шапка» оказалась более-менее эффективной только для очень узкого диапазона электромагнитных волн (8,5 гигагерца), а при малейшем изменении частоты эффект тут же исчезал.

Во-вторых, «шапка-невидимка» сильно поглощала излучение. Электромагнитная волна, прошедшая через оболочку, на выходе теряла почти всю энергию. Если бы речь шла об оптическом диапазоне, наблюдатель увидел бы либо очень слабое изображение предмета, который должен находиться за «шапкой-невидимкой», либо просто темное пятно.

Тем не менее, начало было положено. И вскоре та же группа ученых разработала уже не «шапку», а скорее «плащ-невидимку». Вместо экрана из диэлектрика, который должен скрывать предмет полностью, исследователи предложили сделать на нем покрытие из проводящих материалов. Если объект спрятать под такую «накидку», то лучи будут отражаться от него, словно от плоской поверхности. А значит, хотя сама «накидка» и будет видна, наблюдатель не узнает, что за ней спрятано.

В мае 2009 года две американские научные группы из Корнеллского и Калифорнийского университетов заявили, что им удалось существенно улучшить результаты предшественников; они вплотную приблизились к видимому диапазону электромагнитного спектра.

Для этого группа из Корнеллского университета (руководитель Михаль Липсон) использовала в качестве основы двуокись кремния с вкрапленными в нее крупинками кремния диаметром 50 нанометров. Их коллеги из Калифорнии, возглавляемые Сян Чжаном, сделали из двуокиси кремния с прорезанными в нем отверстиями диаметром 110 нанометров «коврик»-покрытие. Оба устройства эффективно работают в инфракрасном диапазоне волн, который граничит с видимой красной частью спектра.

Аналогичное устройство разрабатывают физики Университета Пердью в Уэст-Лафейетте (штат Индиана). Как рассказал работающий в США российский физик Владимир Шалаев, возглавляющий группу создателей этой «шапки», пока существует лишь математическая модель будущей конструкции. По описанию физика, «конструкция, воплощенная в реальные материалы, будет представлять собой полый стеклянный цилиндр с толстыми стенками. Внутри, перпендикулярно к вертикальной оси цилиндра, разместятся крохотные наноиголки из золота или серебра. Именно их размер и определяет, на каких длинах волн будет работать устройство»…

Благодаря «иголкам», показатель преломления, определяющий распространение света в среде, меняется от нуля на внутренней поверхности цилиндра до единицы на внешней, что соответствует показателю преломления воздуха. В результате свет плавно «обтекает» цилиндр, не испытывая рассеивания или отражения, не проникая во внутреннюю полость конструкции.

А видимый свет, как известно, представляет собой «смесь» лучей голубого, синего, зеленого, красного и других цветов радуги. Изменяя размеры наноиголок, пояснил Шалаев, можно создать шапку-невидимку для любого из этих диапазонов, но не для всех сразу. Пока еще никто не знает, как изготовить «шапку-невидимку» для естественного света, поскольку здесь есть фундаментальные ограничения. Кроме того, оптические свойства реальной атмосферы весьма сильно зависят от погоды. Но Шалаев убежден, что все трудности со временем будут преодолены.

P.S. Пока материал готовился к печати, пришла новость из Китая. Группа исследователей КНР теоретически доказала, что можно спрятать объект, даже если он находится не под покрытием, а снаружи. Как такое может быть, пока не понятно. Подождем новых вестей. Охота за невидимостью продолжается…

ТЕПЕРЬ ЕЩЕ И НЕСЛЫШИМОСТЬ…