Знание-сила, 2007 № 03 (957)

Метаматериалы Веселаго торят незримый путь

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.

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 отрицательными 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.

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.)

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 Пименову 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.

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.