В обычной оптике мы привыкли к тому, что свет распространяется по прямой линии до тех пор, пока не встретится с границей двух прозрачных сред. В этой точке он резко меняет направление своего движения. Метаматериалы гораздо сложнее. Они могут заставить свет двигаться по изогнутому пути, открывая таким образом возможность сделать какой-либо предмет невидимым.

В арсенале средств, необходимых Иванушке-дурачку для того, чтобы спасти Василису Премудрую от Кащея, осталось не так уж много таких, которых нельзя было бы заказать он-лайн. Меч-кладенец, одним ударом которого можно убить больших размеров динозавра, сапоги-скороходы, несущие хозяина быстрее любого коня, ковер-самолет, легко доставляющий по воздуху за три девять земель, — любому современному Иванушке нужны только деньги, чтобы приобрести все это. И сделать это ему поможет яблочко, бегающее по тарелочке и показывающее, что творится в мире. Заметим, что в последнем случае реальность сильнее всего превзошла сказку, — Баба Яга могла только смотреть в свою тарелку, в то время как мы через нее можем и себя показать всему миру.

Метаматериалы: мы рождены, чтоб сказку сделать былью

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Split-ring_resonator_array_10K_sq_nm.jpg

И вот, благодаря новейшим достижениям, в ближайшем будущем в число доступных за деньги чудес может быть включена и шапка-невидимка. Виною тому так называемые метаматериалы, — еще одна новая отрасль науки и техники, находящаяся на стыке многих дисциплин, среди которых материаловедение, классическая оптика, электромагнетизм, физика твердого тела и радиофизика, техника СВЧ, антенн и полупроводников, оптоэлектроника, нанотехнологии и другие.

Метаматериалы – это материалы, искусственно сконструированные так, чтобы обладать свойствами, не встречающимися в природе. Свойства эти достигаются скорее за счет структуры, нежели чем за счет состава материалов. Состоят метаматериалы из периодически повторяющихся микроструктур, причем эти малые неоднородности в совокупности задают эффективное макроскопическое поведение материала.

Одним из первых «чудес», достигнутых в этой области, и не встречающихся в природе, было создание материалов с отрицательным коэффициентом преломления. Такие среды называют еще «левыми» или «левосторонними», так как вектора электрического, магнитного полей и волновой вектор (совпадающий по направлению с направлением фазовой скорости) составляют в такой среде левую тройку, в отличие от обычных сред, где эта тройка правая. Да-да, фазовая скорость волны в такой среде оказывается направленной противоположно направлению, в котором волна переносит энергию! Волна, например электромагнитная, в такой среде ведет себя совсем не так, как в обычной.

   Собирающая (двояковыпуклая) линза, помещенная в левую среду, работает как рассеивающая, а рассеивающая (двояковогнутая), наоборот, как собирающая. Даже плоскопараллельная пластина оказывается, не просто пропускает свет, как в правых средах, но ведет себя, как собирающая линза. Проходя через границу правой и левой сред, луч света не пересекает перпендикуляра к поверхности раздела сред, но как бы отражается, оставаясь в той же полуплоскости относительно него. Это выглядит очень странно, совсем не так, как на иллюстрациях преломления из школьных учебников.

Но еще более странно выглядит отражение! При отражении от зеркала в привычной нам правой среде световой луч давит на зеркало, передавая ему импульс в направлении своего первоначального движения. В левой среде он притягивает зеркало, придавая ему импульс в  направлении, противоположном его первоначальному движению!

В основе конструирования метаматериалов – создание структур из элементов, значительно меньших, чем длина волны излучения. Этим объясняется тот факт, что идеальная маскировка, практически полная невидимость предметов уже достигнута в СВЧ и инфракрасном диапазонах частот. Длина волны СВЧ излучения обычно составляет несколько сантиметров, что очень удобно, и дает инженерам большую свободу в создании сред с разными свойствами. Для этого используют варьирование параметров структуры метаматериала, его периода, периодичности или апериодичности, свойств самих составляющих его «микро»-элементов и тому подобного.

Все это приводит к созданию неоднородной среды, свойства которой могут быть изменены по желанию исследователя в каждой точке. Окруженный таким щитом предмет оказывается огражденным от набегающего на него излучения, которое обтекает его, подобно тому, как потоки воды в реке обтекают камни, смыкаясь с другой стороны. В результате взаимодействие предмета с излучением практически исключено, и радиоволны возвращаются к своему первоначальному направлению. Впервые такое устройство было продемонстрировано в 2006 году. Небольшой цилиндр, окруженный метаматериалом, становился практически невидим в СВЧ диапазоне.

В случае инфракрасного излучения длина волны гораздо меньше, что уже создает определенные технические трудности. Однако, как и в случае с СВЧ, в 2009 году ученым удалось добиться того, чтобы волна, обтекая предмет, изгибалась вокруг него, составляя на выходе практически неизменившуюся картину фронта волны, как если бы предмета просто не было на ее пути.

Сейчас сообщения о такой невидимости для радиоволн определенного диапазона частот уже не вызывают удивления. Да, любой объект можно замаскировать от радаров, — и что же? Его можно просто увидеть, — а значит, и навести ракету на цель. На полях сражений двадцать первого века нам нужна полная невидимость и в световом диапазоне.

Но с видимым светом все куда сложнее. Длины волн здесь составляют сотни нанометров. Необходимость создания структур с периодичностью, меньшей таких размеров, переводит нас в область нанотехнологий. Однако, в демонстрации 2009 года длина волны инфракрасного излучения составляла 1500 нанометров, что всего в несколько раз больше длин волн светового диапазона.

За последние годы эта область исследований уже оформилась в отдельную отрасль науки – оптику преобразований, задача которой – определить, как свет может быть направлен по определенному пути, благодаря свойствам среды с переменными параметрами, — аналогично тому, как согласно общей теории относительности путь светового луча может быть изогнут благодаря искривлению пространства.

В частности, согласно общей теории относительности Эйнштейна, пространство искривляется вблизи массивных объектов. В 1919 году во время солнечного затмения это теоретическое положение было подтверждено наблюдениями за светом звезд, проходящим вблизи Солнца, которое, как оказалось, является гигантской собирающей гравитационной линзой. Это явление может быть смоделировано при помощи метаматериалов с пространственно неоднородными параметрами, что открывает возможность изучения свойств астрономических объектов в лабораторных условиях. Вплоть до получения своего рода «черных дыр». Первая такая электромагнитная «черная дыра» была экспериментально получена в октябре 2009 года.

Но спустимся с небес и немного скажем и о более приземленных применениях метаматериалов. Поскольку электромагнитное излучение обладает волновыми свойствами, общими для любого типа волн, — результаты, полученные в оптике преобразований, могут быть перенесены в акустику и даже в сейсмологию. В последнем случае речь может идти о создании искусственных конструкций, направляющих сейсмические волны вокруг зданий, и таким образом защищающих от землетрясения.

А вот в случае звука уже достигнуты значительные успехи: в январе 2011 года было продемонстрировано устройство, способное сделать небольшие предметы «невидимыми» для ультразвука. Устройство, благодаря своей специальной конструкции искривляющее и направляющее звуковые волны, предназначено для скрытия от звуковых волн предметов, погруженных в воду. Оно состоит из 16 концентрических колец цилиндрической формы и специально сконструировано так, чтобы проводить звуковые волны в заданном направлении в двух измерениях. У каждого кольца свой показатель преломления, и из-за этого звуковые волн меняют свою скорость при переходе от одного кольца к другому. Устройство в целом было описано, как система полостей, которые на деле замедляют распространение звука. Экспериментальный цилиндр, помещенный внутрь системы, исчезал с экрана сонара. Предметы разной формы и плотности также можно скрыть от сонара. Устройство показало свою эффективность на частотах от 40 до 80 кГц.

Не надо быть военно-морским экспертом, чтобы понять, что первейшим применением подобных систем может быть скрытие подводных лодок от сонаров противника. Но это, конечно, далеко не единственное предполагаемое военное применение  метаматериалов. Благодаря своим уникальным свойствам, они дают возможность создания суперлинз, с помощью которых можно рассматривать предметы, меньшие длины волны излучения. В обычной оптике это просто невозможно. Это, а также тот факт, что в оптике преобразований свет может быть направлен практически по любому желаемому пути, делают применение метаматериалов очень перспективным в военной области. Не говоря уже о маскировке от радиоизлучения, и в дальней перспективе – достижении невидимости и в диапазоне видимого света. Здесь, как уже сказано, исследователи с надеждой обращаются к нанотехнологиям.

Для этого, прежде чем маскировать трехмерные объекты со всех сторон, гораздо проще начать со скрытия от глаз предметов, находящихся на плоской поверхности. Ведь в этом случае достаточно немного изменить угол, на который отражается свет, чтобы поверхность начала выглядеть плоской. И вот наконец, в этом году в научной периодике опубликованы сообщения о скрытии небольших выпуклостей во всем диапазоне видимого света. Конечно, это еще далеко на шапка-невидимка, но это огромный шаг вперед по сравнению с экспериментами в СВЧ и инфракрасном диапазоне. Два разных подхода увенчались успехом.

В университете Беркли, Калифорния, Крис Гладден и Маджид Гарджи (Chris Gladden и Majid Gharghi) использовали отверстия в пленке нитриде кремния, нанесенной на подложку из пористого стекла. Изменение диаметра отверстий от 20 до 65 нанометров, что меньше длины волны видимого света, позволяло изменить преломление света в слое, и, за счет взаимодействия с пористым стеклом подложки, скрыть от видимого света небольшую выпуклость.

Ранее в этом же году Байли Джанг (Baile Zhang) с коллегами из Сингапурского MIT Alliance for Research and Technology добились похожего эффекта для линейно поляризованного света. Они использовали специально расположенные кристаллы кальцита, показатель преломления которых зависит от направления электрического поля световой волны. Таким образом, им удалось скрыть от поляризованного света выпуклость двухмиллиметровой высоты.

Ученые из Сингапура, признавая результат калифорнийцев значительным достижением, в то же время отмечают, что использование природного кальцита может быть гораздо дешевле и продуктивнее. Так это или нет, но начало невидимости в диапазоне человеческого зрения уже положено.

Итак, похоже, из сказочных чудес только живая и мертвая вода да скатерть-самобранка имеют шанс никогда не воплотиться в реальные вещества и устройства. Впрочем, глядя на успехи новейшего материаловедения, нанотехнологий и генной инженерии, начинаешь сомневаться даже в их сказочности.

GD Star Rating
loading...
Метаматериалы: мы рождены, чтоб сказку сделать былью, 10.0 out of 10 based on 3 ratings

Добавить комментарий