До сих пор шапка-невидимка была уделом сказочников и фантастов. Однако с недавних пор все изменилось, и поиск шапки-невидимки стал излюбленным занятием некоторых физиков — новым перспективным направлением науки.
В поисках искусственной пустоты
У Гарри Поттера было одеяние, прятавшее его от посторонних глаз. И в знаменитом сериале Стар Трек одним нажатием кнопки астронавты возводили вокруг космического корабля защитный экран, за которым корабль скрывался, как сказочный герой под шапкой-невидимкой. И вот теперь компанию вымышленных персонажей спешат пополнить ученые. Они доказывают, что стать невидимым можно и не обучаясь в Школе колдовства и магии. Ведь эта идея не противоречит законам физики.
Мы видим любые предметы лишь потому, что они отражают большую часть падающего на них света, частично поглощая его. Если предмет перестанет отражать и поглощать свет, он станет практически невидим. В пространстве словно образуется дыра, в которой исчезает объект , — подчеркивает физик Дэвид Смит из университета Дьюка (штат Северная Каролина). Теперь свет и другие электромагнитные волны, например сигналы радиолокатора, попросту огибают объект, не отражаясь от него, — они словно распространяются в пустом пространстве. Объект — собственно говоря, помеха, препятствие, очерчиваемое набегающими на него волнами, — исчезает. Нет препятствия — нет и его абриса, который, в противном случае, увидел бы наблюдатель. Он же лицезреет теперь то, что находится за исчезнувшим предметом — он не догадывается, что в этот момент световые лучи распространяются не по прямой линии, а по дуге.
Разумеется, чтобы подобный фокус удался, поверхность объекта должна обладать особыми оптическими свойствами. С помощью таких однородных материалов, как полимеры или стекло, этого не добиться. Нужны искусственные материалы со специальной структурой — так называемые метаматериалы. Ученые занимаются их созданием уже несколько лет.
Это — композитные материалы, поверхность которых усеяна множеством крохотных металлических элементов — стержней, рамок, колец. Они играют ту же роль, что атомы и молекулы в однородном веществе — отвечают за электрические, магнитные и оптические свойства, ведь, по сути своей, это — микроскопические соленоиды и конденсаторы. В отличие от атомов и молекул, эти элементы можно специально подобрать, конструируя из них метаматериал и определяя его свойства. Он может обладать характеристиками, которые немыслимы у традиционных материалов, например, отрицательным коэффициентом преломления в определенном диапазоне частот. Тогда лучи света и впрямь не рассеиваются на его поверхности, а скользят вдоль нее.
Еще в 1967 году советский физик В. Г. Веселаго предсказал существование материалов с отрицательным коэффициентом преломления — они характеризуются также отрицательны¬ми показателями электрической и магнитной проницаемости. В подобных материалах традиционные законы оптики переворачиваются с ног на голову. Например, фокусирующая линза, изготовленная из метаматериала, будет рассеивать, а не собирать свет; плоский же диск, наоборот, будет фокусировать световые лучи.
Объект, изготовленный из такого материала или облицованный им, станет недоступен для приборов, которые ведут наблюдение в соответствующем диапазоне частот, ведь он не отражает электромагнитные волны, а лишь отклоняет их. Поэтому мы — да! — видим на экране локатора то, что находится за объектом. На месте его самого зияет пустота. Так волны реки, обтекая валун, смыкаются за ним, не образуя разрывов, словно им и не встретилось никакого препятствия.
Прошло более тридцати лет, прежде чем расчеты Виктора Веселаго стали воплощаться наяву.
Мода от Пендри
В конце октября 2006 года газеты всего мира известили о том, что американские и британские исследователи — Дэвид Смит, Дэвид Скариг и Джон Пендри — впервые продемонстрировали метаматериал, который не отражает микроволновое излучение. Он состоял из множества миниатюрных квадратных рамочек из меди (высота — 3 миллиметра); с одной стороны те были прорезаны, а края возле прорези отогнуты внутрь. Ученые наклеили эти элементы на полоски из стеклопластика сантиметровой ширины (их длина разнилась). Согнув полоски, они получили десять концентрических колец диаметром от 6 до 12 сантиметров и вставили одно в другое так, чтобы между ними был небольшой зазор. В центре конструкции образовалась отверстие диаметром 6 сантиметров. Предварительные расчеты показали, что микроволны длиной волны порядка 3 сантиметров не могут проникнуть внутрь системы колец — они будут огибать ее, а значит, помещенный там медный цилиндр станет невидим в данном диапазоне.
Как сообщили на страницах Science Смит и Пендри, эта система маскировки выдержала боевое крещение . На экране локатора вместо цилиндра вдруг вырисовалась подставка, на которой он лежал. Только она стала немного темнее и чуть расплылась , — так комментирует увиденную картину очевидец. Микроволны практически не проникали внутрь конструкции. Впрочем, из-за электрических потерь в метаматериале излучение заметно ослабло. Так что внимательный наблюдатель, приглядевшись к фону, пожалуй, разглядел бы очертания цилиндра. Он не растворился, а, так сказать, замаскировался , как хамелеон.
Мы слишком спешили, — признает Дэвид Смит, — а потому защитный экран оставляет желать лучшего. Предстоит еще много работы . Опыт показал, что маскировочные системы из метаматериалов можно конструировать, но сделан лишь детский шаг на пути к их созданию. Мы не можем даже сказать, научимся ли когда-нибудь делать предметы невидимыми, как в книгах о Гарри Поттере .
Пока шапка-невидимка эффективна лишь в узком — микроволновом — диапазоне частот (в нем работают радиолокационные установки, а также беспроводные средства коммуникации, например, Bluetooth). Во всем остальном спектре электромагнитного излучения, в том числе в оптической его части, медный цилиндр виден всем.
Именно в этом кроется главный недостаток концепции, отмечает Джон Пендри. Но, очевидно, можно создать поверхность с регулируемыми электромагнитными свойствами — та будет маскировать объект сразу в нескольких диапазонах частот. Над этим сейчас и работают исследователи.
Еще одна проблема в том, что данный эффект срабатывает, лишь когда длина волны излучения сопоставима с размерами объекта. Поэтому в оптическом диапазоне можно экранировать разве что микроскопически малые объекты, которые и въяве-то не разглядишь — даже мальчик-с-пальчик слишком велик, чтобы укрыться под шапкой-невидимкой , что уж там говорить о Гарри Поттере (длина волны видимого света составляет порядка 0,4 — 0,7 микрометра)! В принципе, если мы хотим маскировать видимые предметы, лучше изготовить для них покрытие из металлических колец нанометровой величины (!) — а этому мы пока не научились.
(Попутно заметим, что современные самолеты-невидимки типа Стеллс лишь особым образом маскируются, появляясь на экране локатора неразличимым темным пятнышком на фоне такого же темного неба. В данном же случае речь идет совсем о другом эффекте — о материалах, которые, в отличие от обшивки самолетов Стеллс , вовсе не отражают электромагнитное излучение.)
Золотые пленки, плазмонные поверхности и все, что мы так и не увидим Исследования ведутся и в инфракрасном диапазоне, то есть в непосредственной близости от оптической части спектра. Так, Владимир Шалаев и его коллеги из американского университета Пардю разработали материал, который экранирует инфракрасное излучение длиной волны порядка одного микрометра. Теоретически он состоит из многих тысяч золотых элементов размером 750 х 170 нанометров, нанесенных на стеклянную пластину в виде правильной сетки.
В эксперименте же исследователи обошлись тремя тончайшими пленками из золота, стекла и опять золота (толщина каждого слоя — 50 нанометров). Вертикально расположенные золотые пленки образовали своего рода обкладки крохотного квазиконденсатора. При определенной длине волны наступал электрический резонанс. Известно, что в узкой области спектра излучения — а именно там, где наблюдается электрический и магнитный резонанс — коэффициент преломления материала принимает отрицательное значение, а значит, излучение данной частоты лишь огибает экран, не отражаясь от него.
В конце 2005 года физикам из Аугсбургского университета Андрею Пи-менову и Алоизу Лойдлю вместе с коллегами из Иллинойсского университета и Польской Академии наук удалось добиться подобного эффекта в опытах с тонкими многослойными пленками, составленными из ферромагнитных и сверхпроводящих материалов. Впрочем, он наблюдался лишь при низких температурах близ мощного источника магнитного поля, а потому возможность его практического применения была крайне ограничена. В будущих экспериментах, — говорит Андрей Пименов, — мы заменим ферромагнитные слои антиферромагнитными. Тогда этот эффект удастся получить даже без внешнего источника магнитного поля .
В марте 2006 года премией имени Герты Шпонер, присуждаемой в Германии женщинам-физикам, была награждена уроженка Твери Екатерина Шамонина из Оснабрюкского университета за выдающийся вклад в область разработки электромагнитных метаматериалов .
Еще одну модель предложили Андреа Алу и Надер Энгита из Пенсильванского университета. На поверхность предмета наносится плазмонное покрытие (плазмоны — это квазичастицы, описывающие колебания электронов вокруг тяжелых ионов в плазме твердых тел). Когда частота колебаний электронов и частота падающего на поверхность электромагнитного излучения совпадут, излучение перестает рассеиваться — предмет станет невидим в этом диапазоне.
Игра вслепую на миллионы
Уже сейчас к подобным исследованиям проявляет большой интерес Пентагон. Из метаматериалов можно изготавливать военную технику будущего: направленные антенны, маскирующие покрытия для самолетов и многое другое. Так, еще четыре года назад командование американской армии выделило Массачусетскому технологическому институту более 50 миллионов долларов на разработку солдатской униформы, которая превратит обычного пехотинца в бойца невидимого фронта . Не случайно, и тот же Дэвид Скариг занимается экспериментами на средства американских спецслужб , пишет немецкая газета Die Welt . Возможно, все исследования такого рода вскоре будут засекречены.
Но эти эксперименты нужны не только военным. Метаматериалы могут произвести настоящую революцию и в оптике. Они требуются для создания идеальных линз.
Современные линзы, фокусируя свет, теряют — особенно в краевых зонах — некоторую часть содержавшейся в нем информации, а вот оптические приборы, изготовленные из метаматериалов, будут передавать стопроцентно точное изображение. Разрешающая способность суперлинз далеко превзойдет возможности лучших микроскопов и достигнет нескольких нанометров. Благодаря им станет виден весь Микромир — и, конечно, заметно расширятся возможности медицинской диагностики и биологических исследований.
Кроме того, ведутся разработки мобильных телефонов с нанопокрытием, которое будет отклонять электромагнитное излучение, защищая от него любителей подолгу поболтать по трубе . Подобные модели аппаратов появятся сравнительно скоро.
Теоретически — это уже дело отдаленного будущего — можно маскировать и крупные объекты, например, скрывать космические корабли от телескопов, ведь те ведут наблюдение в длинноволновом диапазоне. Подобным приемом пользовались, похоже, и герои Star Trek , ловко ускользавшие от станций наблюдения очередной внесолнечной планеты.
Так что рынок незримых товаров обещает огромную прибыль. Исподволь, неприметно они войдут в наш обиход.
inauka.ru