Ученые доказали возможность создания новых материалов, способных сделать невидимым практически любой предмет. Дальнейшие исследования активно финансируются военными

У профессионалов и любителей науки произошло смятение чувств. Его вызвала майская публикация в журнале Science, посвященная перспективам создания маскировочных материалов, делающих невидимыми (неразличимыми) скрытые под ними физические объекты.

По мнению авторов двух статей, британца Джона Пендри из лондонского Imperial College, американцев Дэвида Смита и Дэвида Шурига (оба из Университета Дьюка), а также работающего независимо от этой троицы Ульфа Леонхардта из шотландского Университета Сент-Эндрюс, первые экспериментальные образцы материалов-невидимок могут быть получены уже в ближайшие несколько лет. Как иронично отметил в одном из своих интервью Ульф Леонхардт, «невидимость стала почти видимой» (в английском оригинале Invisibility is visibly close).

Впрочем, здесь необходимо уточнить, что, говоря о материалах-невидимках, Пендри, Смит и Ко имеют в виду далеко не только и даже пока не столько материалы, маскирующие объекты в оптическом диапазоне электромагнитного спектра излучения. В первую очередь реальным тестам будет подвергнута «непрощупываемость» маскировки в длинноволновой части спектра — радиоволнах и микроволнах: радионевидимки ученые рассчитывают создать примерно через полтора года. Затем по плану дело должно дойти до микро- и инфракрасных волн, и лишь после этого начнутся испытания в части спектра, доступной простому глазу.

В самых общих чертах идея британских и американских физиков заключается в том, что маскируемый объект помещается в некую полость внутри маскировочной оболочки, и световые волны (или любая другая разновидность электромагнитного излучения), ударяясь об эту оболочку, вместо того чтобы попадать далее в спрятанный внутри объект, плавно огибают его и, заново рекомбинируясь, выходят наружу как ни в чем не бывало. Дэвид Смит в этой связи приводит условную аналогию с речным потоком и камнем, помещенным на его пути: «Водные струи, сталкиваясь с камнем, просто растекаются вокруг него и соединяются вместе уже за ним». Но, в отличие от камня и речного потока, человек, наблюдающий за столкновением световых волн с оболочкой-невидимкой, прекрасно видит все прочие предметы, находящиеся непосредственно за скрытым внутри нее объектом, то есть как бы смотрит сквозь объект, никак его не обнаруживая.

Использовав уравнения Максвелла, описывающие электромагнитные явления в среде, Пендри и его коллеги сделали необходимые теоретические расчеты физических характеристик маскировочного материала, способного соответствующим образом изменять направление электромагнитных волн. В частности, ученые пришли к выводу, что этот материал должен быть сконструирован так, чтобы скорость света на некотором удалении от полости была относительно медленной и возрастала при приближении к ней.

Работы по материалам-невидимкам финансируются из бюджета министерства обороны США

Исходя из этого и ряда других полученных расчетных результатов, авторы обеих статей в журнале Science сошлись во мнении, что основой маскировочных покрытий будущего скорее всего станут так называемые метаматериалы, совершенно новый класс искусственно модифицированных композитных материалов, обладающих весьма необычными электромагнитными и оптическими свойствами. Метаматериалы состоят не из атомов и молекул, как обычные вещества, а из особых микроструктур: крошечных, меньше микрона, металлических резонаторов. Причем одно из многих необычных свойств метаматериалов — возможность искусственного варьирования показателя преломления в различных зонах, что, в свою очередь, и может обеспечить нужный по теории разброс скорости света внутри маскировочной оболочки.

Русские следы

Любопытно, что майская история с материалами-невидимками напрямую связана с советскими и российскими учеными. В 2004 году президиум Российской академии наук присудил доктору физико-математических наук Московского физико-технического института (МФТИ) Виктору Веселаго специальную премию им. В. А. Фока за цикл работ «Основы электродинамики сред с отрицательным коэффициентом преломления». Тем самым высшая научная инстанция России наконец официально признала его важнейшую роль в создании теоретического базиса нового направления физических исследований, в последние годы стремительно набирающего обороты во всем мире.

В этом цикле, начатом еще в середине 60-х годов прошлого века, Виктор Веселаго одним из первых заинтересовался необычными электродинамическими свойствами гипотетических сред, характеризуемых одновременно отрицательными значениями электрической и магнитной проницаемостей, которые и определяют коэффициент преломления. (Справедливости ради, впрочем, следует отметить, что задолго до Веселаго, еще в конце 30-х, на необычные оптические свойства таких сред впервые обратил внимание в ряде своих работ крупнейший советский физик Леонид Мандельштам.) Подобные свойства могли быть полностью объяснены и описаны только в том случае, если такие вещества обладают отрицательным значением коэффициента преломления.

Веселаго предсказал, что в материалах с отрицательным коэффициентом преломления определенные оптические явления будут совершенно другими. И самое поразительное из них рефракция — отклонение электромагнитной волны при прохождении границы раздела двух сред. В нормальных условиях волна появляется на противоположной стороне линии, проходящей перпендикулярно этой границе (так называемой нормали к поверхности). Однако если один материал имеет положительный коэффициент преломления, а другой отрицательный, волна будет появляться на той же стороне нормали к поверхности.

В своих работах советский теоретик утверждал, что электродинамика веществ с отрицательным значением n должна представлять несомненный общефизический интерес и вполне логично дополнять куда более привычную нам электродинамику веществ с положительными величинами n. Виктор Веселаго даже придумал для них специфическое название — «материалы-левши» (в англоязычном варианте left-handed materials). Однако в то время вещества с отрицательными значениями n науке еще не были известны, поэтому первоначальная реакция коллег на эти публикации была достаточно скептической.

Более того, все ранние попытки создания веществ с такими свойствами, неоднократно предпринимавшиеся учеными, закончились ничем, и интерес к «левым материалам» в научной среде сравнительно быстро угас.

Отношение ученых к экзотической идее Веселаго резко поменялось в 2000 году. Именно тогда в калифорнийском Университете Сан-Диего Шелдоном Шульцем и Дэвидом Смитом (одним из авторов майской публикации 2006 года в Science) был впервые создан искусственный композитный материал (метаматериал), обладающий отрицательными электрической и магнитной проницаемостями в микроволновом диапазоне.

Этот метаматериал представлял собой массив микроскопических медных проволочек и колечек, помещенных в основу из стекловолокна. Колечки имели отрицательную магнитную проницаемость, а проволочки — отрицательную электрическую проницаемость, и благодаря этой хитрой комбинации электрических и магнитных резонаторов экспериментаторам удалось добиться столь желанного эффекта — отрицательного показателя преломления n.

Впрочем, эти первые результаты экспериментов Шульца и Смита были встречены многими физиками почти в штыки. Настоящий метаматериальный бум начался лишь спустя почти три года, то есть в 2003-м, когда сразу в нескольких лабораториях наконец удалось повторить важнейшее открытие калифорнийцев.

К настоящему моменту количество публикаций на эту тему уже перевалило за тысячу, причем многочисленные зарубежные исследователи безо всяких оговорок признают научный приоритет Виктора Веселаго, дружно упоминая в преамбулах своих статей о его пионерских работах.

Получить же метаматериал с отрицательным преломлением в оптическом волновом диапазоне ученые смогли лишь совсем недавно — в середине прошлого года. Этого успеха добились Владимир Шалаев и его коллеги из Университета Пардью (Purdue University), которые разработали весьма прихотливый композит, состоящий из массива микроскопических (нанометрового масштаба) пар параллельных золотых проволочек-нанотрубок. Наконец, нельзя не упомянуть и об открытии в декабре 2005 года совершенно нового типа материалов с отрицательным показателем преломления. Созданный совместными усилиями ученых из австрийского Университета Аугсбурга, американского университета штата Северный Иллинойс и сотрудников Польской академии наук (в числе его ведущих разработчиков значится еще один российский физик Андрей Пименов) материал представляет собой своеобразный «бутерброд» из нескольких слоев-пленок ферромагнитного оксида марганца и оксида меди (кроме того, в нем присутствуют также иттрий и барий). В отсутствие внешнего магнитного поля и при близкой к абсолютному нулю температуре он является сверхпроводником и обладает отрицательной диэлектрической проницаемостью. Изюминка этого «слоеного пирога» в том, что, если к нему приложить внешнее магнитное поле, становится отрицательной и магнитная проницаемость.

В настоящее время Пименов и его коллеги ведут работу над тем, чтобы существенно уменьшить величину магнитного поля, при которой показатель преломления меняет знак. Другая их интересная идея связана с добавлением в структуру этого материала еще одного слоя вещества, сохраняющего свою намагниченность. Таким образом, ученые рассчитывают достичь требуемого результата и в отсутствие внешнего магнитного поля.

Суперлинзы

Новейшие эксперименты дают убедительные доказательства того, что метаматериалы с отрицательным коэффициентом преломления имеют большое будущее как в оптике, так и в ряде других областей физики. И одно из самых перспективных направлений их использования, по мнению многих специалистов, связано с разработкой суперлинз, с помощью которых станет возможно получать изображения, не ограниченные так называемым дифракционным пределом разрешения.

Обычные линзы с положительным коэффициентом преломления собирают и фокусируют световые волны, испускаемые объектом, создавая таким образом изображение. Однако объекты — источники электромагнитного излучения — испускают также особые слабые волны (эванесцентные волны), которые содержат много дополнительной информации о микроскопической структуре объекта. Измерять эти волны стандартными методами значительно труднее, потому что они экспоненциально затухают по мере удаления от источника и никогда не достигают поверхности изображения. Иными словами, обычное изображение всегда содержит меньше информации, чем источник, из-за дифракционного предела.

Этот дифракционный предел, связанный со всеми оптическими инструментами с положительным коэффициентом преломления, означает, что наилучшее разрешение, которое возможно получить при их помощи, соответствует примерно половине длины набегающей волны света, которая используется для создания изображения.

В 2000 году Джон Пендри высказал теоретическое предположение, что метаматериалы с отрицательным коэффициентом преломления могут эффективно улавливать и перефокусировать слабые затухающие (эванесцентные) волны. В такой «металинзе» электромагнитные волны, достигая ее поверхности, возбуждают коллективное движение поверхностных волн — электрические осцилляции, известные в науке также как поверхностные плазмоны. Этот процесс усиливает и восстанавливает эванесцентные волны. В идеале такая линза может обеспечить создание совершенного изображения, что и подсказало Пендри название «совершенная линза» для пластинки с n = –1.

Как и в случае с первыми метаматериалами, полученными Шульцем и Смитом в 2000 году, идея Пендри вызвала у многих коллег большие сомнения и стала причиной очередной оживленной дискуссии. В частности, некоторые оппоненты Пендри настаивали на том, что она входит в очевидное противоречие с базовыми физическими постулатами, такими как закон сохранения энергии и принцип неопределенности. Однако достаточно скоро эти критики были вынуждены признать с


Похожие записи:
  1. Российская стальная компания Evraz Group, контролируемая Романом Абрамовичем, за 2,3 млрд долларов покупает среднюю по размеру американскую металлургическую корпорацию Oregon Steel Mills. До сих пор российские металлурги таких дорогих приобретений не делали
  2. На мировом рынке достаточно нефти. Не хватает доверия и прозрачности рынка, а также инвестиций, считает исполнительный директор Международного энергетического агентства Клод Мандиль
  3. За десять лет мобильная связь перестала ассоциироваться с роскошью и стала массовой услугой. Операторы ожидают, что в ближайшее время подобное произойдет и с Интернетом
  4. К концу 2010-х заработает Международный экспериментальный термоядерный реактор
  5. Проживающие в Германии иностранцы перечисляют в немецкий бюджет больше денег, чем получают через систему социальных трансферов. Выгоды немецкой экономики от мигрантов могли быть еще больше, если бы жесткое трудовое законодательство не закрывало дорогу высококвалифицированным специалистам
  6. За 3,3 млрд долларов человечество узнало, что на Титане текут метановые реки и идут углеводородные дожди.
  7. Неудачно проведенная децентрализация и приватизация водоснабжения в Великобритании обернулись засухой и ограничениями на потребление воды