На базе этого оптического эффекта, возможно, появятся объективы, обеспечивающие сверхчеткую видимость, а также способы сделать материальные объекты невидимыми.
Ученые Университета Дьюк продемонстрировали в действии «контейнер-невидимку», делающий незримой — правда, только в микроволновом диапазоне — любую вещь, которую кладут внутрь него, пишет inopressa.ru. 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.
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, но им еще предстоит установить практические пределы тому, насколько им удасться подчинить свет своей воле.
Никакого волшебства в этом методе нет. Физики берут 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.
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.
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.
Впервые метаматериалы 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 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. Как бы то ни было, спор исследователей 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. Главная загвоздка в том, что объект надо помещать в непосредственной близости от объектива, на расстоянии, равном доле длины световой волны.
Еще одна из возможных сфер 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 прошлого 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». Он предложил создать «антиневидимку» — материал, который будет задерживать в себе свет определенной длины волны. «Его можно будет использовать как сенсор», — пояснил ученый.
