Физика невидимости

Структура метаматериала. Фото: techworld.idg.se

Российские ученые создали структуры из воды, почти совершенно невидимые в микроволнах

Ярослав Рыбаков

19 апреля, 2015 12:27

7 мин

«Любая достаточно развитая технология неотличима от магии», — гласит третий из знаменитых законов, сформулированных британским фантастом и футурологом Артуром Кларком. К невидимости это относится в полной мере: хотя пока что создать нечто подобное сказочной шапке–невидимке ученые не в состоянии, тема эта уже является предметом их самого серьезного профессионального интереса.

Занимаются этим и российские ученые — результаты одной такой работы, проделанной петербургскими физиками совместно с коллегами из Австралии, недавно были опубликованы в журнале Scientific Reports. В чем особенность их подхода — и почему до сих пор не удается получить «шапку–невидимку», «Русская Планета» узнала у одного из авторов исследования, кандидата физико-математических наук, старшего научного сотрудника Университета ИТМО и ФТИ им. Иоффе РАН Михаила Валерьевича Рыбина.

— Тема невидимости в физике — не в сказках — тесно связана с темой метаматериалов (свойства которых во многом определяются особенностями их микроструктуры и часто не имеют аналогов в природе — РП). Давайте начнем с них?

— Я кратко поясню, что такое метаматериалы и как они «работают» с точки зрения оптики. Вспомните, что любые объекты имеют свои строго определенные резонансные частоты и взаимодействие электромагнитных волн с веществом возможно только на этих частотах. Электромагнитные волны остальных частот в первом приближении на них не действуют. Например, стекло почти «не замечает» фотоны видимой части спектра, но для инфракрасного и ультрафиолетовых диапазонов оно непрозрачно.

Отсюда возникает вопрос: можно ли создать рукотворные структурные элементы, которые могут играть роль «искусственных атомов» с такими резонансными особенностями, которые требуются, а не довольствоваться тем, что можно найти в природе?

«Искусственные атомы» должны быть, с одной стороны, относительно небольшими, меньше длины волны, на которой они «работают». С другой стороны, их размеры намного больше атомных. Создание материалов с заранее заданными оптическими свойствами и является предметом нашей работы, которую принято называть созданием метаматериалов, состоящих из отдельных «искусственных атомов».

— То есть, вы изучали отдельные «искусственные атомы»?

— Одна из наших задач — изучение резонансных свойств отдельного структурного элемента метаматериала. В данном случае это были структуры в форме цилиндров из материала с достаточно большим показателем преломления. Дело в том, цилиндры (или сферы), сделанные из такого материала, характеризуются сильными резонансными эффектами, благодаря которым их можно рассматривать в качестве «искусственных атомов» для создания метаматериала.

Каждый структурный элемент переизлучает свет на определенных длинах волн, то есть поглощает электромагнитную волну и одновременно с этим излучает новую волну. При этом переизлученные волны имеют ту же частоту, но измененную фазу. Если механизмов рассеяния несколько, то переизлученные волны могут интерферировать, и эта интерференция позволяет добиваться тех или иных спектральных особенностей как каждого «искусственного атома», так и метаматериала в целом.

Но давайте вернемся к нашим цилиндрам. При высоком коэффициенте преломления рассеяние от цилиндра происходит в соответствии с двумя механизмами, резонансному и нерезонансному. На определенных частотах переизлученные волны, связанные с этими механизмами, имеют противоположные фазы, взаимно уничтожаясь. Получается, что объект, состоящий из таких цилиндров, будет на этих частотах невидим для стороннего наблюдателя.

— И эти расчеты удалось подтвердить экспериментально?

— Да, в качестве материала мы использовали обычную воду, залитую в цилиндрическую колбу с тонкими стеклянными стенками, которые в микроволнах имеют маленький по сравнению с водой показатель преломления, то есть на результат почти не влияют. В итоге удалось показать, что такие водяные цилиндры становятся невидимыми для микроволнового излучения определенных частот.

Пластина из метаматериала. Фото: Dylan Erb / newsoffice.mit.edu

Более того, поскольку коэффициент преломления воды существенно зависит от температуры, а от этого коэффициента зависят свойства нашего «искусственного атома», мы смогли, просто меняя температуру воды, включать и выключать «режим невидимости» на соответствующих частотах.

Отметим, что эффект подтвержден для микроволнового диапазона, но главное, что эксперимент подтвердил теоретическую концепцию. А значит, используя другие материалы с высокими коэффициентами преломления, наша концепция может быть реализована и для других длин волн, вплоть до видимого света.

Сама цилиндрическая форма при этом будет оставаться той же, изменить нужно только размеры цилиндров и подобрать материал, подходящие материалы с высоким коэффициентом преломления хорошо известны — прежде всего, это кремний и халькогенидные соединения.

— Получается, скоро можно действительно ждать «шапки», которая если не делает невидимым человека, то, по крайней мере, совершенно невидима сама?

— К сожалению, это не так. «Видимость» для нашего зрения определяется излучением в довольно широком диапазоне волн, от фиолетового до красного. Вряд ли удастся получить структуру, которая будет полностью невидима для всего диапазона одновременно.

Даже если вы сделаете сложный «бутерброд» из слоев, каждый из которых обеспечивает невидимость в лучах своей части видимого спектра, настоящего «невидимку» вы не получите. Например, зеленый свет будет проходить сквозь «зеленый» цилиндр, но рассеиваться на цилиндрах других цветов.

При этом наша структура вообще не похожа ни на «шапку-невидимку», ни на «плащ»: мы не можем укрыть за ней или под ней видимый предмет. Мы только можем делать предметы из нее — они будут невидимы на тех или иных частотах электромагнитного излучения.

Тем не менее, мы уверены, что такие материалы будут востребованы: применений им в технологиях ближайшего будущего можно предложить достаточно. Например, собирая миниатюрную наноантенну, мы сможем помещать ее части на несущие конструкции, которые невидимы для излучения на рабочих частотах антенны, и не будут мешать ей, выполняя свою конкретную задачу.

Надо сказать, что такой подход отличается от пути, по которому идут многие разработчики в области невидимости по всему миру. Их подходы состоят в создании специальных покрытий, которые смогут делать объекты под собой невидимыми для той или иной части спектра. Однако когда речь идет о микро- и нанотехнологиях, то для технологов покрытие может оказаться достаточно сложным в изготовлении, в отличие от невидимых однородных структур, предложенных нами.

ТЕГИ

поддержать проект

Для поднятия хорошего настроения, вы можете угостить наших редакторов чашечкой кофе

Маленькая чашка кофе