Методы исследований метаматериалов

Основные понятия

 

В данной главе пойдет речь о том, как протекают процессы в самих метаматериалах, а также их свойствах и внутреннем строении.

Еще раз напомним, что метаматериалы - это искусственно созданные среды с отрицательными диэлектрической² и магнитной³ проницаемостями. Электродинамические характеристики таких материалов существенно отличаются от характеристик элементов их составляющих. При этом, надо отметить, что метаматериалы с необычными электродинамическими характеристиками не встречаются в природе и достаточно сложны в изготовлении. Такие материалы вызывают как академический, так и практический интерес в связи с их уникальными свойствами[4][12]

По словам специалистов, свойства метаматериалов в первую очередь находятся в зависимости от их структуры, а не от химического состава. Эти материалы обладают способностью к искривлению путей прохождения света особым образом, в частности с их помощью объекты могут приобретать свойство невидимости для наблюдателя в определенном частотном диапазоне. Такой эффект может быть достигнут за счет того, что излучение, которое направляется метаматериалом, огибает маскируемый объект таким образом, что его изображение, формируемое отраженным излучением, не фиксируется детекторами. Эта особенность обусловливает удивительные свойства материалов, получивших название метаматериалов с отрицательным коэффициентом преломления. Преломление происходит тогда, когда электромагнитные волны (включая свет в видимой области) меняют направление распространения при переходе из одного компонента композитного материала в другой.[4][3]

С точки зрения физики метаматериалы с отрицательным показателем преломления являются в некотором смысле слова противоположностью обычных материалов. Отрицательный показатель преломления означает, что свет в материале распространяется особым образом: направление фазовой скорости электромагнитной волны оказывается противоположным направлению ее распространения; изменение частоты и длин волн происходит в противоположную сторону; собирающие линзы становятся рассеивающими и наоборот (приложение 7). [12]

Особенность скрытия от наблюдателя объектов с помощью метаматериалов заключается в том, что их регулярные структурные свойства, должны иметь размеры меньше длины волнового излучения, для которого работает конкретный метаматериал. По этой причине большинство созданных метаматериалов обладают приспособленностью к излучению с длиной волны, большей, чем у видимого света (380-740 нм). Для того чтобы метаматериалы могли работать с видимым светом, размер их регулярной структуры должен составлять всего лишь несколько нанометров.[4]

В основу данного эффекта метаматериалов лежит уравнение распространения электромагнитных волн в изотропной среде, которое имеет вид:

k² − (ω / c)²n² = 0

где k² — волновой вектор, ω — частота волны, c — скорость света, n² — квадрат показателя преломления. Данное уравнение было выведено из уравнения Максвелла¹.[24]

 

Структура метаматериалов

 

А теперь поговорим о самой структуре метаматериалов. По своей структуре метаматериалы, напоминают в большинстве случаев «рыбацкую сеть» или «ковер», состоящие из пористого оксида алюминия (Al₂O₃) или чередующихся слоев серебра и фторида магния.[4]

Метаматериалы принято классифицировать по трём основным группам: ε – негативные материалы, µ - негативные материалы и метаматериалы с одновременно отрицательными значениями как ε, так и µ.[24]

1. Метаматериалы с отрицательной диэлектрической проницаемостью (ε – негативные материалы). Характерным примером ε – негативной среды является система из тонких металлических стержней расположенных параллельно друг к другу (Приложение 6-а).

2. Метаматериалы с отрицательной магнитной проницаемостью (µ - негативные материалы) представляют собой регулярную трехмерную структуру, образованную индуктивно-щелевыми резонаторами⁴. Резонаторы имеют вид плоских колец или квадратов с разрезом в виде щели. Часто применяют связанные резонаторы в виде двух коаксиальных колец или квадратов, вставленных один в другой (Приложение 6-б). [24]

Именно эти составляющие входили в структуры металлических сеток Дж. Пендри и Дэвида Смита (см. приложение 2-3).

Размеры резонаторов намного меньше длины волны, на которой они возбуждаются. Типичные размеры таких резонаторов, настроенных на частоту ~10ГГц, таковы: диаметр ≈3 – 4 мм, размер щелей ≈0,4x0,2 мм². Обычно резонаторы изготавливают методами травления меди с фольгированного стеклотекстолита. Для улучшения характеристик метаматериалов, получения изотропных или анизотропных свойств, могут применяться более сложные конфигурации резонаторов.[4]

3. Метаматериалы, имеющие одновременно отрицательное значение, как эффективной диэлектрической проницаемости, так и магнитной, состоят из регулярных структур, содержащие резонаторы и линейные проводники. В таких материалах показатель преломления так же будет иметь отрицательное значение (-n). Поэтому такой материал будет проявлять совершенно необычные оптические свойства, такие как аномальное лучепреломление, сверхразрешение (см.приложение 1-б). [4]

Методы исследований метаматериалов

 

Методы экспериментальных исследований метаматериалов СВЧ диапазона довольно ограничены. Элементарные ячейки, или несколько ячеек, исследуют волноводным методом. Ячейку метаматериала помещают в волновод⁶ или в неоднородную среду, где распространяются волны, и измеряют амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) по коэффициенту отражения или пропускания в соответствующем частотном диапазоне. На основании полученных АЧХ и ФЧХ (фазо-частотная характеристика) характеристик прогнозируют свойства материала, построенного из таких ячеек.

Исследования композитных метаматериалов затруднены из-за необходимости изготовления образцов больших объемов (количества), что приводит к сложности изготовления. При исследовании малых объемов композитных материалов волноводным методом неизбежно возникают ограничения связанные малым числом ячеек метаматериала в исследуемом образце волновода. Некоторые исследуемые образцы, например, такие как регулярные проводящие структуры, имеют размер гораздо больший сечения стандартного волновода (23х10), что делает невозможным исследование их электродинамических характеристик данным методом.[4][3]

Получение метаматериалов

 

Метаматериалы синтезируются внедрением в исходный природный материал различных периодических структур с самыми различными геометрическими формами, которые модифицируют диэлектрическую ε и магнитную μ восприимчивости исходного материала. В очень грубом приближении такие включения можно рассматривать как искусственные, чрезвычайно больших размеров атомы. Разработчик метаматериалов при их синтезировании имеет большой выбор свободных параметров (размеры структур, форма, постоянный и переменный период между ними и т. д.).

Отдельные сложности возникают при создании метаматериалов, предназначенных для полноценных трехмерных устройств, поскольку они более универсальны в применении. Они устроены отлично от принципа ковра-невидимки Дж. Пендри, который является двумерным. Авторы новых исследований делают попытки преодоления обоих этих препятствий при использовании технологии ДНК-оригами, которая заключается в создании сложных структур из частей ДНК. Такой биополимер обладает свойством комплементарности, т.е. части ДНК образуют друг с другом довольно прочную структуру, а при специальном подборе «букв» ученые надеются добиться от нужных структур самостоятельной организации.[32]

Ученые собирали сложные структуры, используя золотые наночастицы с прикрепленными к ним отрезками ДНК, которые "находили" комплементарные⁹ им пары, закрепленные на определенном твердом основании. Наночастицы выстраивались на этом основании, прикрепляясь к нему за счет образования комплементарных пар между нитями ДНК. В итоге ДНК-"штырьки" образовывали регулярную структуру, обладающую заданными оптическими свойствами. В перспективе разработанный исследователями принцип создания метаматериалов - которые представляют собой, скорее, "метажидкость", так как все компоненты плавают в растворе - позволит создавать материалы, делающие невидимыми объекты в видимом диапазоне длин волн.[32][6]

Еще один из подходов, к созданию метаструктур, это не дискретное склеивание наночастиц, а использование нанослойных сред с распределенным изменением электромагнитных свойств, магнитной проницаемости, диэлектрической проницаемости и показателя преомления.

Идея о крупномасштабном производстве метаматериалов, на данный момент является нереальным. Ведь изготовление метаматериалов является «кропотным» и трудоемким процессом. [6]

Большое значение имеют правильный выбор материала и высокое качество проводящих слоев, так как ключевой момент в получении работоспособных метаматериалов – обеспечение низких потерь; в частности, требуется минимизировать сопротивление пленок толщиной десятки нанометров. Для этого надо обеспечить их сплошность, снизить шероховатость до нанометрового уровня и повысить стойкость к воздействию окружающей среды. Сейчас проводящие пленки изготавливают главным образом из серебра и золота; первое имеет меньшее сопротивление, но чувствительно к воздействию внешней среды. Важно обеспечивать низкую шероховатость и диэлектрических слоев (подложек), на которые осаждается металл. В качестве неорганических диэлектрических материалов, применяют SiO₂ , MgF₂ , или Al₂O₃ .[6]

Для компенсации потерь предлагается вводить в состав метаматериалов компоненты, усиливающие световой поток, т. е. использовать среды с усилением. Вот здесь то и начинает играть роль химического состава вещеста.

Из методов осаждения на плоские подложки превалируют методы вакуумного электронно-лучевого испарения. Сейчас в перспективе лежит метод импульсивного магнетронного распыления (о нем мы заговорим чуть позже) для осаждения как проводящих, так и диэлектрических слоев требуемого качества в едином технологическом цикле. Этот метод обеспечивает повышенную энергетическую активацию процесса конденсации и позволяет осаждать материал с повышенной плотностью и низкой шероховатостью.[6]

Оптические секреты.

 

Зарождающаяся сегодня новая глава оптики — импульсная нанооптика метаматериалов — объединяет три направления. Определение «импульсная» отражает всемирную гонку специалистов за укорочением световых сигналов, наилучшие результаты которой измеряются сегодня несколькими фемтосекундами (1 фс = 10–15 с). Нанооптика использует оптические элементы — тонкослойные фильтры, поляризаторы, безотражательные покрытия, — размеры которых составляют сотни нанометров (1 нм = 10–7 см). Одними из таких элементов являются метаматериалы, показатель преломления которых распределён в пространстве внутри слоя по заранее заданному закону (градиентные метаматериалы). Законы отражения и преломления света в таких искусственных неоднородных средах являют серию удивительных эффектов, которых нет и быть не может в привычной оптике однородных материалов. Физические основы и математический аппарат исследования оптических процессов в градиентных средах были созданы недавно доктором физико-математических наук Александром Борисовичем Шварцбургом (Институт высоких температур РАН, директор — академик РАН В. Е. Фортов). Успех в этих направлениях внушает надежды на создание оптических систем с экстремальными свойствами, миниатюрные размеры и быстродействие которых «уходят в отрыв» от соответствующих параметров существующих систем.[2]

Чтобы плавно подойти к этой теме, рассмотрим металлическую фольгу и диэлектрическую нанопленку. Казалось бы — ничего общего; ещё Фарадей придумал название «диэлектрики» для сред, которые, в отличие от металлов, плохо проводят электрический ток. Более того, известно, что металлические плёнки непрозрачны для видимого света, а для ультрафиолета прозрачны, — почему? Объяснение, найденное на заре электронной теории, более ста лет тому назад, связало эти эффекты с наличием в металле огромного количества свободных электронов — порядка 6 × 10²² частиц в кубическом сантиметре. Этот газ свободных электронов, обеспечивающий, в частности, прохождение электрического тока через металл, совершает непрерывные хаотические колебания, частота которых возрастает с повышением плотности электронного газа, достигая значений ω ≈ 10¹⁵ Гц, в миллион раз выше радиочастот дальней связи. Электронный газ в металлах образует плазму, а частоты его колебаний ω называют плазменными частотами и обозначают специальным символом ω_p. При частотах световых волн ниже ω_p можно представить, что электроны успевают двигаться «в такт» с «низкочастотными» колебаниями светового поля, не пропуская свет в глубь металла. Наоборот, при частотах, больших ω_p, электроны «не замечают» быстрых изменений поля, и свет проникает в глубь металла. Таким высоким частотам ω_p соответствуют электромагнитные волны с длиной волны в воздухе λ ≈ 200 нм, то есть ультрафиолетовой части спектра. Излучение видимого диапазона, длины волн которого лежат в диапазоне λ = 400–780 нм, и тем более инфракрасное (ИК) излучение (λ > 780 нм) оказываются «низкочастотными» по отношению к плазменным частотам ω_p и поэтому в глубь металла не проникают, а быстро затухают. Поток энергии таких волн ослабевает в 2,73 раза на небольшом расстоянии от поверхности L, обычно меньшем, чем длина волны излучения; если толщина фольги больше L, говорят, что излучение экранировано плёнкой. Это избирательное, или, говоря профессионально, резонансное, свойство металлической плазмы нашло широкое применение в системах управления излучением видимого и инфракрасного диапазонов; в журнальных заголовках и рекламных титрах «запестрело» название инновационного направления — плазмоника. [2]

Однако и здесь не обошлось без «кота в мешке». Отражение и пропускание света в оптических структурах зависят от показателя преломления использованных материалов, и для конкретных задач плазмоники требуются материалы с широким выбором значений показателя преломления. Существование областей прозрачности и непрозрачности в металлах для разных длин волн, разделённых частотой ω_p, свидетельствует, что этот показатель зависит от длины волны. В оптике такая зависимость называется частотной дисперсией показателя преломления. Дисперсию естественных материалов со свободными электронами (металлы, ионные кристаллы, многие полупроводники) однозначно определяет плотность электронного газа, и эта однозначность затрудняет создание плазменно-оптических систем с гибкими параметрами.

При попытках обойти этот недостаток возникли вопросы: нельзя ли создать искусственную среду и, если надо, металлическую, которая не содержала бы свободных электронов, но имела требуемую для данной системы дисперсию? А если можно — каковы будут процессы отражения и пропускания такой среды для разных длин электромагнитных волн? Можно было бы ожидать, что ответ на второй вопрос, как и на все вопросы, связанные с распространением электромагнитных волн, содержится во всеобъемлющих уравнениях электродинамики — уравнениях Максвелла.

И тут «на арену выходят» метаматериалы. Развитие нанотехнологий привело к созданию материалов и структур с уникальными оптическими свойствами, недостижимыми в естественных средах. Такие структуры, традиционно формируемые чередованием слоёв с большими и меньшими показателями преломления, широко используют в волновых фильтрах, лазерных зеркалах и многослойных оптических покрытиях. Мировые лидеры на рынке таких структур сегодня — три фирмы: Spectragon (Англия), Jenoptik (Германия), Gradient Optics (США). Именно субволновые размеры градиентных диэлектрических слоёв отвечают современной тенденции к миниатюризации всех элементов оптоэлектронных систем.[2]

Для изготовления таких слоёв разработано немало методик; наиболее часто применяется магнетронное напыление смеси компонент, определяющих показатель преломления, на прозрачную подложку. Так, для создания наноплёнки, содержащей двуокиси кремния SiO₂ и ниобия Nb₂O₅, используют одновременную работу двух магнетронов: один напыляет SiO₂, а другой — Nb₂O₅. Подложка перемещается между магнетронами, и темп её движения определяет долю каждого напылённого вещества и зависящий от соотношения этих долей пространственный профиль показателя преломления n. Таким способом традиционно получают наноплёнки с монотонным профилем n, когда, например, на одной стороне плёнки содержится 100% SiO₂ и нет Nb₂O₅, а на другой — наоборот. Соответственно и показатель преломления такой плёнки меняется монотонно от 1,5 до 2,3, а толщина плёнки, на которой происходит это изменение, — всего 50–60 нм. Теория, описанная выше, предсказывает новые возможности управления излучением, но для этого нужны плёнки с более сложными, в частности немонотонными, профилями n, которые нуждаются в прецизионном напылении и тестировании.[2]

 

VI. Применение

С помощью метаматериалов уже созданы материалы и устройства со свойствами, которые ранее казались невероятными. Итак, рассмотрим некоторые из них.

Плащ-неведимка

 

Несколько лет назад была опубликована серия теоретических работ, в которых доказывалось, что существование плаща-невидимки не противоречит никаким физическим законам. Тогда же впервые появился термин «идеальный плащ-невидимка», означающий устройство, способное делать невидимым какой-либо объект для всего диапазона электромагнитных волн вне зависимости от того, под каким углом (углом обзора) эти волны «освещают» укрываемый предмет.[15]

Созданные впоследствии плащи-невидимки имели два существенных недостатка: они делали объект невидимым лишь на какой-то определенной длине волны и были двумерными, то есть эффект невидимости достигался только на плоскости. Если взглянуть на укрываемый объект из третьего измерения, то плащ-невидимка перестает работать, и предмет легко может быть обнаружен. Но уж сейчас, ученым удалось решить 2 основные проблемы:

1) добиться невидимости не на плоскости, а в пространстве, то есть реализовать трехмерный плащ-невидимку;

2) научиться получать невидимость для как можно более широкой полосы частот электромагнитного излучения, продвигаясь при этом в область оптического диапазона. [16]

Работа плаща-невидимки основана на анизотропии⁷ магнитной и диэлектрической проницаемости вещества (составляющих показатель преломления среды), из которого этот плащ изготовлен. За счет этой анизотропии электромагнитная волна при попадании в такой материал «обходит» спрятанный объект подобно тому, как поток воды обтекает камень, а затем восстанавливает свои первоначальное направление и свойства. В итоге стороннему наблюдателю, который принимает электромагнитное излучение, кажется, что в процессе распространения волна никаких препятствий на своем пути не встречала (приложение 8). [10]

По мнению физиков, как метаматериалы, так и "активное" маскирование предметов являются чрезвычайно многообещающими тематиками. Группа ученых из Англии и Германии добилась значительного прогресса в изготовлении плаща-невидимки. В отличие от предыдущих, уже созданных устройств подобного рода, новый плащ-невидимка работает не на какой-то определенной длине электромагнитных волн (как это было у Пендри и Смита), а в целой полосе инфракрасного излучения от 1400 до 2700 нм. Более того, этот плащ может скрывать объекты не только в плоскости, как это было ранее, а в пространстве — при условии, что угол обзора спрятанного предмета не превышает 60°[15]

Более того, работа английских и немецких исследователей показала, что нет никаких ограничений для создания плаща-невидимки больших размеров: всё упирается в скорость изготовления метаматериалов (в данном случае — фотонных кристаллов). Поэтому совершенствование нанотехнологических процессов синтеза метаматериалов может привести к появлению плаща-невидимки с более продвинутыми характеристиками — в частности, с возможностью прятать предметы в видимом диапазоне электромагнитного излучения и с увеличенным углом обзора скрываемого объекта.[25]

По последним данным, исследовательская группа Бориса Кулми из Сиднейского института фотоники и оптики (Австралия) сделала еще один шаг на пути к созданию плаща-невидимки. Ученые предложили изящный способ уменьшить крупную, подобную метаматериалу структуру до размера, допускающего управление видимым светом. Они собрали обычные стеклянные палочки и металлические трубки в цилиндр, нагрели до размягчения и вытянули в длинное тонкое волокно. Эта технология сохраняет внутреннюю структуру, сжимая ее до наноразмерного уровня, необходимого для управления видимым светом. В итоге метаматериал принимает форму нити, достаточно тонкой, чтобы сохранять гибкость, как оптическое волокно. К настоящему моменту Кулми и его коллегам удалось изготовить нити толщиной 10 микрометров.[28][5]

В разработке невидимых нитей ученые использовали компьютерное моделирование. Необходимая толщина нити - 1 микрометр: метаматериал поглощает свет, и, если нить будет толще, он может потемнеть. Согласно проведенным вычислениям, нить станет невидимой, если на нее смотреть не напрямую, а сбоку, в поляризованном свете. Модель показала, что оптические свойства волокна, как и других оптических метаматериалов, напрямую зависят от длины волны. Человек сможет одет наряд, в котором окажется голым при красном свете, но «если на него направить зеленый свет, можно увидеть ткань целиком».[5][28]

«Идея произвела впечатление», - заявили Асджер Мортенсен из Датского Технического университета в Лингби и Мин Ян из Королевского института технологий в Стокгольме (Швеция), растягивавшие метаматериалы в оптические волокна, которые могут перемещать инфракрасный свет. Высокоточное управление невидимостью нитей будет непростой задачей, предупреждают ученые. В настоящее время Кулми и его коллеги, намерены попробовать изготовление 1-микрометровых нитей.[25]

Вся сложность в реализации данного процесса, для видимого света состоит в том, что сам маскирующий материал должен быть меньше длины волны видимого света (от 380 до 740 нанометров). По последним данным, физики разработали новый принцип, который позволяет делать невидимыми предметы размером до двух миллиметров. Все существующие до сих пор технологии скрывали от наблюдателя объекты, размер которых сравним с длиной волны света. Объекты становятся невидимыми для наблюдателя благодаря кальциту, а именно его кристаллической структуре, или известковому шпату. Этот минерал, имеющий формулу CaCO3 (карбонат кальция), является самым распространенным биоминералом в природе. Пока устройство работает только в том случае, когда маскируемый объект расположен строго в определенном месте. В будущем ученые намерены расширить возможности кальцита.[23][31]

Иллюзии

 

Физики из Китая при помощи метаматериалов создали иллюзию стены - материалы особой структуры искривляют траекторию электромагнитного излучения таким образом, что наблюдатель вместо канала, разделяющего две стенки, видит непрерывную поверхность. Подобная иллюзия позволяла героям книг Джоан Роулинг (к/ф. «Гарри Поттер») попадать в волшебный мир через невидимый проход в стене на платформе девять и три четверти.

Этим же методом, ученые предложили способ превратить чашку в ложку. Китайские физики разработали теоретические основы технологии, которая позволит "превращать" одни объекты в другие. [19]

Авторы новой работы решили использовать свойства метаматериалов не просто для получения иллюзии отсутствия предмета, но для создания видимости другого предмета. Чтобы наблюдатель увидел, например, ложку, необходимо, чтобы пути воспринимаемого им света были искривлены так же, как пути света, отраженного от ложки. Теоретически возможно создать метаматериал, способный искривлять лучи именно таким образом.

Для того чтобы "превратить" чашку в ложку, необходимо сначала "стереть" лучи, отраженные от чашки и "заменить" их на лучи, создающие изображение ложки. Разные участки гипотетического метаматериала смогут проделать оба этих "фокуса" со светом. В качестве примера использования такого материала авторы указывают, например, создание "дыр" в сплошных стенах (похожий прием часто используется в мультфильмах). [19]

Линзы

 

Помимо экранирования объектов, для метаматериалов с отрицательным коэффициентом преломления существует еще одна очень перспективная область применения. Как писалось выше, Джон Пендри доказал, что линзы изготовленные из метаматериалов способны преодолеть дифракционный предел в «минус». Такие линзы он назвал «суперлинзами».[19].

Получение суперлинз для науки является едва ли не более важной задачей, чем маскирование предметов, поэтому неудивительно, что разработкой таких устройств занято множество исследовательских коллективов. Исследователи из Университета Иллинойса уже сумели создать акустическую суперлинзу. Основной частью линзы являются резонаторы Гельмгольца - полые сосуды, наполненные жидкостью, которые с одного края открыты. Эти резонаторы традиционно используются для усиления или ослабления отдельных звуковых частот. С помощью звука, линза может получить самые точные данные об объекте. Исследователи надеются, что их открытие найдет применение, например, в медицине. Суперлинза позволит создавать ультразвуковые диагностические аппараты высокого разрешения, которые в принципе могут заменить небезопасные для здоровья рентген и магниторезонансную томографию. Кроме этого специалисты планируют использовать суперлинзы для создания акустической невидимости для, например, подводных лодок.[21]

Также, в рамках работы группа немецких исследователей под руководством Штефана Швайгера, создали метаматериал из нескольких слоев серебряной фольги и полупроводников, который послужил для создания самособирающейся суперлинзы. В результате различного внутреннего строения слоев тонкая полоска подобного материала самостоятельно сворачивается в цилиндр, стенки которого оказываются составлены из нескольких слоев метаматериала.[21]

Внутрь цилиндра ученые помещали изучаемый объект на расстояние нескольких нанометров от стенки. В результате облучения светом в этом регионе, именуемом ближнем полем, возникают так называемые исчезающие волны. Это стоячие электромагнитные волны, интенсивность которых убывает экспоненциально с ростом расстояния от поверхности. Их появление является результатом полного внутреннего отражения на границе раздела сред с различными коэффициентами преломления.[21]

Данные волны несут достаточно много информации об объекте. Стенки цилиндра улавливают их и "превращают" в обычные световые волны, которые можно наблюдать с помощью оптического микроскопа. В результате полученная схема позволят видеть отдельные объекты, размер которых меньше длины волны видимого света. Данное изобретение также может быть использовано в области медецины.

Суперлинзы могут иметь огромную сферу применения — в частности, с их помощью можно будет исследовать вирусы и молекулы белков под обычным световым микроскопом..[19]

 

Невидимая защита

 

Ученые придумали способ сделать дома неуязвимыми для землетрясений

Что общего у плаща-невидимки и защиты зданий от землетрясений? На первый взгляд кажется, что это совершенно разные вещи, однако для современной физики различие не столь очевидно. Один и тот же принцип, родившийся в буквальном смысле слова из волшебника, позволяет создавать устройства, скрывающие дома от подземных толчков, самолеты от радаров и шпиона от врагов.[19]

Представьте - вы живете в Лос-Анджелесе или в Ташкенте. В вечернем выпуске новостей передают прогноз погоды на завтра: "Дневная температура от плюс 23 до плюс 25 градусов, ветер южный; в области ожидается землетрясение магнитудой 7,5". Прекрасный денек, думаете вы и решаете с утра пораньше отправиться за город.

Сейчас подобная ситуация кажется невозможной, но в будущем (пусть и весьма отдаленном) не исключено, что землетрясения перестанут быть разрушительным стихийным бедствием. Новые технологии позволят сделать здания "невидимыми" для подземных толчков..[19]

Плазмонный лазер

 

Многие ученые считают самым важным применение метаматериалов при создании устройств оптической обработки информации. Это направление теснейшим образом связано с плазмоникой — модной и перспективной областью применения нанотехнологий.

Плазмонное излучение называют еще двумерным, одномерным и нульмерным светом. Оно представляет собой комбинацию электромагнитных колебаний и колебаний электронов в металле. Такое излучение конвертируется в свет с той же длиной волны и само может генерироваться с помощью обычного света, обеспечивая интерфейс между электронной и оптической обработкой информации. Метаматериалы, структурированные массивом наночастиц, используются в плазмонных устройствах различного назначения, потому что в металлических наночастицах как раз и возбуждаются плазмонные колебания.

Один из интересных, по мнению ученых, проектов в области наноплазмоники реализуется сейчас совместно специалистами физфака МГУ, ИТПЭ и Канадского фотонного центра в Оттаве. Речь идет о создании принципиально нового источника света — плазмонного лазера. Такой лазер представляет собой комбинацию квантовых точек и плазмонного резонатора. Его размеры составляют лишь несколько нанометров, что в десятки раз меньше полевых транзисторов, которые можно создать на кремниевой пластине. Матрица из таких элементов может стать основой оптических компьютеров, превосходящих существующие по быстродействию, экономичности и компактности.

Генератор невидимости

Создан прототип стеклянного "генератора невидимости"[20]

Созданный учеными материал делает невидимыми находящиеся рядом предметы за счет своей способности особым образом преломлять падающие на него лучи света. Материалы, обладающие такими свойствами, которые обусловлены в первую очередь структурой, а не составом, получили название метаматериалов. На сегодняшний день физикам удалось разработать метаматериалы также из металлов и керамики.

Авторы новой работы предложили схему метаматериала, состоящего из стеклянных столбиков-резонаторов, "расставленных" в форме концентрических окружностей так, что в итоге они образуют цилиндр. Вершины столбиков направляют лучи падающего на них света так, что они огибают находящийся неподалеку маскируемый объект, делая его невидимым для наблюдателя.[21]

В разработанной исследователями компьютерной модели такой материал делал предметы невидимыми, когда на них попадало излучение в инфракрасном диапазоне. На практике ученым пока удалось создать сконструированный по этой схеме керамический метаматериал, "работающий" для микроволнового излучения. В перспективе физики намерены продолжить работы и разработать метаматериал, "подходящий" для видимого света.

Фантастическая перспектива может стать реальностью благодаря физическим хитростям, берущим свое начало от фокусов. Фокусы уже многие столетия вызывают восхищение зрителей, которые по-прежнему верят в создаваемые иллюзионистами оптические обманы. Когда фокусник достает из мокрой вазы сухой платок или ходит по воздуху, он использует систему зеркал: они заставляют свет преломляться таким образом, чтобы у зрителей появилась иллюзия чуда.[20]

Тем же принципом оптического обмана воспользовались физики. Человек или прибор фиксируют присутствие некоего объекта только потому, что тот отражает падающие на него лучи света. Чтобы сделать объект невидимым, необходимо исключить попадание отраженных от него лучей в глаза наблюдателя или на детекторы прибора. В середине августа коллектив ученых из Университета Юты описал, как этого можно добиться, используя нехитрые устройства, генерирующие электромагнитные волны.

Предложенная исследователями схема очень проста. Объект, который необходимо экранировать от наблюдателя, помещается между тремя генераторами, или излучателями. Когда луч детектора попадает на объект, часть составляющих его волн отражаются и начинают распространяться в пространстве. Возникающая картина очень напоминает расхождение кругов на воде от брошенного камня.[21]

Если "круги" достигнут наблюдателя - он увидит объект. Воспрепятствовать распространению отраженного излучения должны волны, производимые генераторами. Их параметры подбираются так, чтобы при столкновении с идущими от объекта волнами последние оказались нейтрализованы. Явление сложения волн, при котором они усиливаются или ослабляются, носит название интерференции. Полное взаимное уничтожение волн происходит в том случае, когда их разность фаз равна половине периода (интерферировать могут только волны с одинаковой частотой, которая связана с периодом обратным соотношением).

Пока авторы разработали теорию маскирования объектов только для двумерного пространства. Однако, по их словам, в привычном нам трехмерном мире все будет работать примерно так же. Новая технология позволит прятать объекты от излучения с самыми разными длинами волн. То есть, теоретически, объекты могут становиться не только невидимыми для ультразвука, рентгена, видимого света, но также неслышимыми (или, напротив, недоступными для шума) и устойчивыми к землетрясениям (сейсмическим колебаниям).

Основным недостатком нового метода является отсутствие практической демонстрации его возможностей. Исследователи не проводили экспериментов, а ограничились только теоретическими выкладками. Описанный ими способ маскирования объектов получил название активного. До сих пор ученые создавали невидимость в теории и на практике по другому принципу. Объекты также скрывались от наблюдателя за счет оптического обмана, однако для его создания не использовались дополнительные источники излучения. В качестве "шляпы волшебника" выступали так называемые метаматериалы.

Метаматериал для УЗИ

 

Один из главных недостатков ультразвуковых изображений — плохое разрешение. Дело в том, что согласно законам физики минимальная величина объекта, который можно «увидеть» с помощью волны, ограничена самой длиной волны. Например, для получения УЗИ тканей используют частоту звуковой волны в 1—5 мГц (такой звук человек расслышать не в состоянии), что соответствует разрешению около одного миллиметра. Теперь этот недостаток можно обойти с помощью новых метаматериалов. [1]

Физики из Университета Калифорнии в Беркли (США), Автономного университета в Мадриде (Universidad Autonoma de Madrid) и других европейских институтов показали, что с помощью специального устройства из метаматериалов на УЗИ можно поймать быстро затухающие, так называемые исчезающие, волны и получить разрешение в 50 раз меньше, чем длина ультразвуковой волны.

Конструкция состоит из 1600 полых медных трубок диаметром около миллиметра, упакованных в 16-сантиметровый брусок с квадратным поперечным сечением (6,3 см). Такая структура ловит исчезающие волны и, прогоняя по трубкам до конца бруска, помогает восстановить нужные детали на изображении. Устройство можно установить на ультразвуковом зонде. (Приложение 10) [1]

Разрешение ультразвуковых изображений находится в миллиметровом диапазоне. С новым прибором его ограничивает только размер дырок структуры из метаматериала. Во время экспериментов ученые использовали акустические волны⁶ с частотой около 2 кГц, при этом разрешение изображения ограничивается длиной волны или 200 миллиметрами. С дырчатым метаматериалом при этой же самой длине волны можно различать детали размером менее четырех миллиметров. Устройство поможет также улучшить работу гидролокаторов и других ультразвуковых приборов.[1]