Знание-сила, 2009 № 04 (982)

Плащ Гарри Поттера

Ал Бухбиндер

Некоторое время тому назад уважаемый британский журнал New Scientist писал: «Сенсационные газетные заголовки попросту скрывают тот факт, что сегодня даже на горизонте не видно возможности создания «плаща невидимости», который работал бы в оптическом диапазоне». А вот недавно в том журнале — да и в других, более «строго научных» — появились сообщения о том, что группе американских ученых удалось вплотную приблизиться к созданию такого «плаща».

Однако сначала несколько разъяснений. Что такое невидимость? Предмет может считаться невидимым, если он расположен между нами и фоном, а мы, глядя прямо на него, видим только фон за ним. Причем фон, нисколько не искаженный, — просто, как если бы никакого предмета перед ним не было. Понятно, что для такой невидимости нужно, чтобы лучи, идущие от фона (например, от дерева) к нашим глазам, огибали указанный предмет и затем сходились бы, продолжая свой путь по прежним прямым. Как этого добиться?

В природе таких материалов нет (исключение составляет опал), но их можно создать искусственно, поскольку они не противоречат никаким законам физики. В 2001 году британский физик Пендри показал, что такие «отрицательно преломляющие» материалы (они получили название метаматериалов) можно «сложить» из множества расположенных неким специальным образом одинаковых и очень малых (сравнимых с длиной световой волны) проволочек, пластинок или других таких же микроэлементов. В такой системе свет будет рассеиваться так, что конечным результатом его прохождения будет отклонение луча в сторону, противоположную обычной. В течение считанных лет (2004–2007) усилиями Смита, Шурига, Жанга, Шалаева и других такие материалы были созданы, и с их помощью удалось многократно увеличить разрешающие возможности микроскопов (до того ограниченные рассеянием света), создать принципиально новые световоды, а также приблизиться к реализации «плаща невидимости».

Хотя в области применения метаматериалов в микроскопии уже удалось добраться до оптического диапазона (то есть видимого света), упомянутого в статье журнала New Scientist, но по отношению к невидимости это удавалось только для микроволн, в лучшем случае — для дальнего инфракрасного света. И вот теперь, летом 2008 года, сотрудники Калифорнийского университета в Беркли во главе с Ксян Жангом сумели впервые создать метаматериал, который делает состоящий из него предмет невидимым также в лучах, доступных нашему глазу. Трудность тут состояла в том, что в метаматериале роль «атомов» играют, как уже было сказано, мельчайшие металлические элементики, размеры которых должны быть сравнимыми с длиной волны используемого света. Поэтому для видимого света эти элементы должны быть много меньше, чем для микроволн. Такие крохотные детали трудно не только создать, но и уложить в нужном порядке.

Жанг и его коллеги ухитрились уложить друг на друга тончайшие (30–50 нанометров) пластинки металла, переслоенные такими же тончайшими пластинками изолятора, а затем с помощью мощного потока ионов проделали в каждом таком «сэндвиче» множество периодически расположенных отверстий прямоугольной формы. Сделав из этого метаматериала призму, берклийские физики показали, что созданная ими решетка действует как совокупность атомов, имеющая отрицательный коэффициент преломления для близкого инфракрасного света.

Развивая этот успех, ученые создали второй метаматериал, на сей раз — в виде «леса» тончайших серебряных проволочек толщиной 60 нанометров (в 200 раз тоньше человеческого волоса), растущего из тончайшей алюминиевой пластинки, в которой были предварительно проделаны (электрохимическим способом) мельчайшие каналы, заполненные затем серебром. Слои, собранные из таких «лесистых пластинок», впервые показали отрицательный коэффициент преломления для видимого (красного) света.

Как пишут авторы, оба этих метода «постройки» метаматериалов позволяют в дальнейшем создать аналогичные слои также для видимого света во всех других областях оптического диапазона. Это очень важно для практического осуществления «невидимости» — ведь «плащ невидимости» должен будет отклонять световые лучи во всем оптическом диапазоне, а для этого он должен содержать соответствующие «отрицательно преломляющие» элементы для всех длин волн видимого света. Можно сказать, что берклийские ученые вплотную приблизились к решению этой задачи, показав, что она в принципе решается, но технические трудности на пути такого решения еще остаются.

Представляется, однако, что вся эта сложнейшая работа может пойти насмарку, поскольку одновременно с сообщением группы Ксян Жанга в научной печати появилась статья Чена из Шанхайского университета, в которой утверждается — правда, пока лишь теоретически, — что возможно создать метаматериал, покрытие из которого мгновенно сделает предмет, покрытый «плащом невидимости», видимым снова. Если это верно, для чего тогда прилагаются такие титанические усилия в погоне за плащом Гарри Поттера?