Свет, преломленный "наоборот"

Физики все активнее работают над созданием материалов, которые преломляют свет "наоборот". На базе этого оптического эффекта, возможно, появятся объективы, обеспечивающие сверхчеткую видимость, а также способы сделать материальные объекты невидимыми. В октябре прошлого года ученые Университета Дьюк продемонстрировали в действии "контейнер-невидимку", делающий незримой — правда, только в микроволновом диапазоне — любую вещь, которую кладут внутрь него.

Луч микроволнового света расщеплялся надвое. Его половинки огибали специально сконструированный цилиндрический контейнер и почти идеально сливались воедино на другой его стороне. Это означает, что вещь, помещенная в контейнер, практически незрима. Ни одна волна света не отскакивает от нее рикошетом, и человек, который смотрит на цилиндр и его содержимое, увидит лишь то, что находится позади цилиндра.

Контейнер еще не совершенен. Инопланетянин, видящий в микроволновом диапазоне, не заметил бы самой вещи, но, возможно, почуял бы неладное. "Он мог бы увидеть, что в этом месте подозрительно темно, — поясняет Дэвид Р. Смит, преподаватель инженерии электротехники и вычислительных машин в Дьюке. — Он заметил бы какое-то искажение, смутные тени, смутное отражение".

Есть и другая, более серьезная незадача. Этот конкретный материал, из которого изготовлен контейнер, эффективен только для одного конкретного "цвета" или длины волны. Поэтому его практическая полезность крайне ограничена. Создание плаща-невидимки, который был бы эффективен на гораздо более коротких волнах света, зримого невооруженным человеческим глазом, или в широком спектре цветов — это еще более сложная, возможно, даже невыполнимая задача.

Однако демонстрация показала, что в последнее время ученые научились манипулировать светом при помощи структур, которые они сами называют "метаматериалами".

Очевидно, военных заинтересует любой материал, который можно было бы использовать для камуфлирования танков и других видов боевой техники. Но такие материалы могут применяться и в микроскопах и антеннах нового типа. Покамест ученые провели необходимые расчеты, смоделировали процессы на компьютере и осуществили ряд экспериментов, доказывающих верность самого принципа, — вроде того, что состоялся в Дьюке. Но им еще предстоит установить практические пределы тому, насколько им удастся подчинить свет своей воле.

Никакого волшебства в этом методе нет, да и материалы используются не свежеизобретенные. Физики берут самые обыкновенные материалы типа оргстекла и меди и делают из них метаматериалы, похожие с виду на мозаику из плиток с повторяющимся орнаментом. Метаматериалы взаимодействуют с электрическими и магнитными полями световой волны, манипулируя их характеристикой, которая называется "коэффициентом отражения", и тем самым преломляя свет так, как неспособен преломлять его ни один природный материал.

"Есть задачи, с которыми химия не может справиться самостоятельно, — говорит физик Джон Б. Пендри из Имперского колледжа в Лондоне. — Включая в расчеты не только химию, но и структуру, мы получаем расширенную гибкость в конструировании и добиваемся свойств, которые раньше были нам просто недоступны".

Когда луч света пересекает границу между воздухом и водой, стеклом или другим прозрачным веществом, он преломляется. Угол преломления обусловлен коэффициентом отражения.

Коэффициент отражения воздуха равен 1, воды — примерно 1,3. Вот почему, глядя сквозь воду, по поверхности которой разбегается рябь, мы видим дно пруда искаженным. Именно из-за отражения соломинка в стакане с водой словно бы выгибается к ее поверхности, а рыбы, плавающие в пруду, кажутся ближе к поверхности воды, чем на самом деле.У бриллиантов коэффициент отражения составляет 2,4. Потому-то они так красиво сверкают.

Если говорить о видимом свете, то прозрачные материалы типа стекла, воды и бриллиантов имеют коэффициенты отражения, равные 1 или выше. То есть, когда свет входит в материал, он движется как бы по вогнутой траектории, близкой к перпендикулярной линии. Поскольку в толще материала коэффициент отражения везде одинаков, преломление происходит лишь в момент, когда свет пересекает границу.

Но теперь возможно создать метаматериалы с коэффициентами отражения в диапазоне от 0 до 1. У контейнера-невидимки, созданного в Дьюке, коэффициент плавно варьируется от 0 на внутренней поверхности цилиндра до 1 на его внешней поверхности. Поэтому траектория света искривляется не только на границах, но и при прохождении через толщу метаматериала.

Метаматериалы впервые стали предметом бурных споров ученых несколько лет назад, после поразительного заявления, что коэффициент отражения может быть не только меньше единицы, но также и отрицательным, меньше нуля. Войдя в такой материал, свет резко развернется, словно бы отскочив от невидимого зеркала.

Коэффициент отражения зависит от реакции материала на электрическое и магнитное поля. Обычно в толще материала электроны движутся таким образом, чтобы свести к минимуму влияние внешнего электрического поля — то есть, создавая противонаправленное внутреннее электрическое поле. Но есть и исключения. В некоторых металлах — например, в серебре — изменчивое электрическое поле индуцирует поле, направленное в том же направлении.

В 1960-х годах русский физик В.Г. Веселаго осознал, что если было бы возможно найти материал, который будет оказывать противодействие не только электрическим, но и магнитным полям, то у этого материала будет отрицательный коэффициент отражения.

В конце 1990-х годов Пендри одним из первых начал изготавливать метаматериалы. Он делал решетки из тонких проволочек, которые реагировали на электрические поля диаметрально противоположным образом по сравнению с большинством материалов. Он также разработал один материал, который реагировал таким образом на магнитные поля. Смит, работавший тогда в Калифорнийском университете в Сан-Диего, услышал доклад Пендри на одной научной конференции в 1999 году. Смит и его коллеги изготовили первый метаматериал, реагировавший должным образом на электрические и магнитные поля сразу. Журнал Physical Review Letters отверг статью Смита с описанием эксперимента, расценив его как примитивный и неинтересный. Лишь тогда Смит набрел на работы Веселаго об отрицательном коэффициенте отражения и далеко идущих выводах из эксперимента. "Я переделал теоретическую часть, и статью взяли", — вспоминает Смит, ныне работающий в Дьюке.

После публикации несколько лет длились споры между исследователями, которые изготавливали и испытывали метаматериалы с отрицательным отражением, и теми, кто говорил, что эксперименты ничего подобного не доказывают, что отрицательное отражение в лучшем случае иллюзия, так как оно противоречит законам физики. Одна из проблем состояла в том, что эксперименты с отрицательным отражением проводились в микроволновом диапазоне. Разработка метаматериалов для более коротких длин волн и высоких частот типа видимого света — дело гораздо более сложное, так как материалов, прозрачных в высокочастотном диапазоне, не так-то много.

"Оглянитесь по сторонам, — поясняет Пендри. — Много ли тут вещей, сквозь которые вы можете смотреть? Немного. Особо не развернешься". В этом году ученые из лаборатории Эймса в Айове и Университета Карлсруэ (Германия) сообщили, что создали метаматериал, имеющий отрицательный коэффициент отражения в диапазоне видимого света. Но некоторых скептиков это не убедило. Николас Гарсиа из Национального исследовательского совета Испании все еще называет заявления Пендри о явлении отрицательного отражения пропагандой. Но сегодня большинство физиков принимает интерпретацию, основанную на реальности отрицательного отражения.

Как бы то ни было, спор выявил, что метаматериалы не всесильны. Им свойственна дисперсия — то есть угол отражения чрезвычайно зависит от частоты света. Кроме того, они абсорбируют энергию из проходящего через них светового луча. Тем не менее Пендри предложил создать на основе материалов с отрицательным коэффициентом отражения "суперобъектив", поскольку они, в отличие от линз обычных объективов, не подвержены процессу под названием "дифракция" — проще говоря, изображение не расплывается.

Группа ученых во главе с Сян Чжаном, профессором Калифорнийского университета в Беркли, продемонстрировали, что тонкая плоская серебряная пластина действительно может использоваться для получения сверхчеткого изображения. Удалось различить две тонкие линии, разделенные промежутком шириной в 70 миллиардных долей метра. "Поместите объект с одной стороны, и на другую сторону спроецируется его изображение", — пояснил доктор Чжан. Суперобъектив сможет также передавать детали, которые при рассматривании через обычный оптический прибор теряются. Обычно считают, что свет — это аккуратные волнистые колебания. Но при ближайшем рассмотрении оказывается, что к ним примешаны еще и более сложно устроенные "бесконечно малые" волны.

Обычно эти волны быстро рассеиваются и остаются незамеченными. Но Пендри рассчитал, что линза с отрицательным коэффициентом отражения будет усиливать бесконечно малые волны, и эксперимент Чжана подтвердил эту гипотезу. Когда-нибудь это позволит создать оптический микроскоп для рассматривания по отдельности столь крохотных биологических образований, как вирусы. Теперь главная загвоздка в том, что объект надо помещать в непосредственной близости от объектива, на расстоянии, равном доле длины световой волны. Еще одна возможная сфера применения — устройства типа пишущих DVD. Чем тоньше фокусировка, тем больше фильмов можно будет уместить на одном стандартном носителе без потери качества. Возможно, говорит Чжан, на диск размером с современный DVD поместится все собрание Библиотеки Конгресса.

Параллельно исследователи метаматериалов раздумывают, какие бы еще задачи решить. "Мы очень увлеклись идеей плаща-невидимки, — говорит Пендри. — Воображение разыгралось — ведь мы осознали, что на основе этих материалов действительно можем создать нечто подобное". В мае 2006 года Пендри и Смит предложили конструкцию для "сокрытия" микроволн одной-единственной частоты. В октябре лаборатория Смита в Дьюке продемонстрировала действующую модель, хотя и упрощенную и несовершенную. Микроволновую модель Смита нельзя приспособить для диапазона видимого света, так как абсорбция энергии будет слишком велика. В этом году Владимир М. Шалаев из Пурдью продемонстрировал конструкцию другого типа, где проблема абсорбции не актуальна. По его словам, она может "скрывать" видимый свет, хотя в каждый отдельный момент — лишь определенной длины волны. "Мы можем создать плащ для любого из цветов, но не для всех одновременно, — говорит Шалаев. — Но, по крайней мере, начинает складываться ощущение, что это все-таки возможно".

Шалаев говорит, что надеется создать модель из крохотных стержней, расположенных определенным образом вокруг цилиндра, через несколько лет. Метаматериалы могут быть использованы и в других необычных устройствах. Шалаев предложил создать "анти-невидимку" — материал, который будет задерживать в себе свет определенной длины волны. "Его можно будет использовать как сенсор", — пояснил ученый. Удастся ли создать достаточно большой плащ-невидимку для волшебника школьного возраста или для целого инопланетного корабля — это уже другой вопрос. "Зная то, что я знаю сейчас, я отношусь к такой перспективе весьма пессимистично", — отметил Смит. Шалаев сказал, что это была бы интересная задача. "Не знаю, — проговорил он. — Мы надеемся, что такое возможно". Источник: Inopressa.ru

Обозрение "Terra & Comp".