Поделка шапка невидимка
Эта упрощенная шапка-невидимка двумерна, и прозрачна она должна быть не для настоящего света, а для потока поверхностных плазмонов, и причем только одной определенной длины волны. Плазмоны — это электромагнитные колебания плюс колебания электронов на поверхности металла, связанные друг с другом в единое целое и бегущие вдоль поверхности металла. Поток плазмонов еще иногда называют двумерным светом — это не совсем свет, но он похож на него; а при необходимости его можно порождать светом и превращать в свет той же частоты.
На верхней фотографии (см. рис. 1) показано, как выглядит плоская шапка-невидимка при освещении сверху обычным светом (на врезке — изображение, полученное в атомно-силовом микроскопе). Она представляет собой структуру из тонких концентрических колец полиметилметакрилата (это вещество, из которого делают оргстекло), нанесенных на золотую подложку. Эта структура простирается от радиуса r1 до радиуса r2, а объект, который требуется спрятать (в данном случае, маленькое широкое колечко), находится внутри радиуса r1.
На нижнем фото (рис. 1) показано, как та же система выглядит при освещении плазмонными лучами, порожденными зеленым светом с длиной волны 532 нм. Направление их движения показано стрелкой — из нижнего левого угла в правый верхний. Фотография же сделана при взгляде на эту плоскость сверху через обычный оптический микроскоп, и видны на ней не плазмонные лучи, а обычное оптическое свечение из тех мест, где они рассеиваются на препятствиях.
Рис. 2. Распределение плазмонного поля в искусственных цветах. Поток набегающих слева плазмонов обтекает центральную часть устройства, а затем смыкается снова и идет вперед. В центральную часть лучи почти не заходят. Изображение из обсуждаемой статьи
Сама концентрическая структура (то есть шапка-невидимка) на этом фото заметна хорошо, но то, что в ней спрятано, почти не видно. Это значит, что плазмонные лучи рассеиваются на шапке, но не рассеиваются на объекте внутри нее. Более детальное исследование показало, что плазмонные лучи действительно расходятся, обтекая спрятанный внутри объект, а потом снова соединяются и идут вперед как ни в чём не бывало (см. рис. 2).
Если бы мы могли видеть в плазмонных лучах, то, взглянув на эту картину из правого верхнего угла плоскости, на месте шапки увидели бы лишь едва заметное прозрачное пятно.
Повторим, что достигнутый результат пока очень далек от идеальной шапки-невидимки. Во-первых, относительная невидимость достигается только при освещении светом с определенной длиной волны. Достаточно изменить частоту световой волны — и невидимость пропадает. Для сравнения на врезке (рис. 1, нижнее фото) показана та же самая картина, но не оптимизированная для длины волны 532 нм — на ней внутренний объект хорошо просматривается, а значит, плазмонные лучи в этом случае попадают внутрь шапки и освещают спрятанный предмет.
Тем не менее, даже такая не совсем настоящая шапка-невидимка — очень важный шаг на пути к оттачиванию оптических технологий, основанных на метаматериалах. Этот эксперимент доказывает, что и в оптическом диапазоне можно приготовить такую структуру, которая будет заставлять лучи, пусть и плазмонные, огибать предмет. Он подтверждает правдоподобность теоретических выкладок, а значит, внушает оптимизм в дальнейшем прогрессе в этой области.
Источник: I. I. Smolyaninov, Y. J. Hung, C. C. Davis. Electromagnetic cloaking in the visible frequency range // препринт arXiv:0709.2862 [physics.optics].
Про поверхностные плазмоны и плазмонную оптику см. в популярных статьях:
1) М. Н. Либенсон. Поверхностные электромагнитные волны оптического диапазона // Соросовский Образовательный Журнал, 1996. № 10, с. 92–98.
2) М. Н. Либенсон. Поверхностные электромагнитные волны в оптике // Соросовский Образовательный Журнал, 1996. № 11, с. 103–110.
3) С. И. Валянский. Микроскоп на поверхностных плазмонах // Соросовский Образовательный Журнал, 1999. № 8, с. 76–82.
4) Подборка рассказов Максима Сухарева по наноплазмонике.
Первым приближением к "шапке-невидимке" стали попытки обмануть средства радиолокации - сделать самолеты и корабли невидимыми. Стелс-технологии основаны на использовании радиопоглощающих материалов и специальной геометрии. Главное - не допустить отражения сигнала от радара к приемнику, а для этого сигнал нужно поглотить или рассеять в другие стороны. Сейчас эти стелс-технологии применяются в военной промышленности многих стран. Однако вряд ли можно считать стелс настоящей "шапкой-невидимкой". Эта технология эффективна лишь в сантиметровом диапазоне радиоволн, а в метровом уже нет.Да и для обычного человеческого глаза подобное дорогостоящее чудо технологий остается прекрасно видимым.
Приближением к настоящему чуду стали материалы с отрицательным коэффициентом преломления, который возможен только при одновременной отрицательности диэлектрической и магнитной проницаемости. В таких веществах (называемых "левыми") фазовая скорость противоположна потоку энергии, также наблюдается обращенный допплеровский эффект - свет от удаляющегося источника смещается не в красную, а в фиолетовую часть спектра.
Описанные теоретически еще в 1967 году советским, а ныне уже российским ученым Виктором Веселаго, материалы с отрицательным эффектом преломления несколько десятилетий считались лишь игрой ума - найти их не удавалось. Но в 2000 г. были получены на практике обладающие подобным качеством метаматериалы - вещества, свойства которых обусловлены не столько химическим составом, сколько искусственно созданной периодической структурой. Первые метаматериалы давали чудодейственный эффект лишь для волны длиной около 3 см. Сейчас активно разрабатываются материалы волн другой длины, в том числе для видимого света.
А уже в 2006 году была показана первая "шапка-невидимка" - кольцевая структура из метаматериала с отрицательным показателем преломления, которая заставляла электромагнитные волны огибать предмет, находящийся в центре. То есть наблюдатель видел не спрятанный предмет, а то, что за ним - "сквозь" него. Новые результаты этих исследований, по-видимому, засекречены.
Шапки и плащи невидимки XXI века. Идея эта идет к нам из глубины веков, была в свое время подхвачена А.С. Пушкиным. Вспомните хотя бы о Людмиле, которая обнаружила в покоях Черномора шапку-невидимку.
Наступившее XXI столетие внесло свои коррективы как в литературные произведения, так и в реальные разработки ученых и инженеров. И вот что в итоге из всего этого выходит…
Эффект световода. Нагляднее всего, как ни странно, суть новшества объяснил автор одного современного детектива, описав, как его герой преодолевает завесу лазерной системы сигнализации на балконе. Он снимает с карабинного крючка рюкзачка за спиной моток световода, тщательно примеряется. А затем, не прерывая лазерного луча, рывком крепит конец световода присоской на приемник нижнего луча, тут же выставив линзу другого конца световода на пути этого же луча. Луч сквозь линзу свернул в световод, и петля его засветилась.
Осторожно перемещаясь вдоль ограждения балкона, удерживая линзу по лучу, лазутчик достиг стены, из которой лучи исходили… Потом прижал линзу к глазку истока нижнего луча, достал из кармана моментально схватывающий клей, аккуратно приклеил линзу на стене.
Образец опытного плаща-невидимки. Шапки и плащи невидимки XXI века
То же было сделано со второй линзой, и… человек стал невидимкой. Приподняв нити световодов, он смог спокойно проникнуть в лоджию, и охранная система его не заметила.
Нечто подобное в 90-х годах XX века попытались воспроизвести на практике московские изобретатели, использовав вместо одного световода сразу множество. Суть дела тем не менее это не меняет. Система световодов с линзами на обоих концах действует точно так же, как и одиночный.
Линзы-объективы воспринимают, скажем, изображение окружающего ландшафта и транслируют его к линзам-окулярам. В результате, когда наблюдатель смотрит на замаскированный, укрытый под такой сеткой объект, он его, что называется, в упор не видит, поскольку световые лучи как бы обтекают спрятанное, а шестиугольные линзы прилегают друг к другу столь плотно, что в щелки между ними не видно ничего.
А японские инженеры недавно запатентовали свой вариант спецкостюма для человека-невидимки. В Стране восходящего солнца созданы чрезвычайно тонкие пленочные телеэкраны на основе жидких кристаллов. Теперь из такой пленки, внешне похожей на обычный полиэтилен, тоже скроен плащ-накидка. Телекамера величиной со спичечную головку, расположенная на затылке обладателя такой накидки, проецирует телеизображение на переднюю часть плаща. А телекамера, смотрящая вперед, аналогично транслирует изображение на заднюю часть плаща. В итоге наблюдатель смотрит как бы сквозь плащ-накидку, не замечая его обладателя.
И все это, как говорится, еще цветочки…
Концепция, благодаря которой они сделали свое изобретение, вообще-то известна всем иллюзионистам. Когда они хотят сделать кого-то невидимым на сцене, то прячут человека или иной объект за зеркала, которые так хитро отражают окружающую обстановку, что кажется: никаких зеркал тут и вообще нет.
На практике эту идею ученый и его коллеги осуществили так. Вместо зеркал они используются несколько концентрических колец, расположенных на золотой подложке. А сами кольца сделаны из полиметилметакрилата, или, говоря проще, обычного органического стекла.
Если посмотреть на эту конструкцию сверху в микроскоп, она несколько напоминает многорядную дорожную развязку. Только в данном случае объект, расположенный в центре подложки, обтекают не автомобили, а световые лучи, изгибаемые прозрачным акриловым стеклом.
А поскольку мы привыкли считать, что свет, а тем более лазера, распространяется строго по прямой, то возникает обман зрения – объект в самом центре глаз не видит. А разглядит лишь то, что находится уже позади него.
Прототип Шалаева. Шапки и плащи невидимки XXI века
Такая лодка сможет действовать практически безнаказанно: для ее обнаружения придется разрабатывать устройства, использующие иные физические принципы, либо глубоко модернизировать существующие сонары.
Итак, увидеть предмет можно благодаря тому, что он искажает ход лучей и световое поле, которое его окружает. Следовательно, у нас может быть три возможных подхода к невидимости. Первый — это идеальная прозрачность, когда объект сам по себе почти не искажает пути лучей света. Второй — камуфляж, когда лучи, рассеянные на объекте, совпадают с теми лучами, которые мы ожидали бы увидеть в отсутствие предмета. Третий — когда некое устройство, например наша шапка-невидимка, сама преобразовывает ход лучей света так, чтобы оно казалось не измененным. Выглядит это примерно так:
На схеме b) — реальный ход лучей в пространстве, a) — то, как его видит удаленный от шапки-невидимки наблюдатель
Первые два примера невидимости часто встречаются в природе. К примеру, медузы в толще воды едва заметны из-за своей прозрачности, а активной и пассивной маскировкой пользуется огромное число видов — ящерицы, насекомые, рыбы и так далее. Однако два этих способа предполагают, что скрываемый объект изначально обладает какими-то определенными свойствами. Человека с помощью прозрачности скрыть не удастся, а маскировка ему поможет лишь отчасти.
Видимый свет — это одна из форм электромагнитного излучения, такого же как радиоволны и рентгеновские лучи, гамма-кванты или волны в микроволновке. Подобно тому, как мы умеем управлять радиоизлучением с помощью антенн, мы также можем изменять поведение света других диапазонов. Один из самых ярких примеров абсолютного контроля над излучением — метаматериалы с отрицательным коэффициентом преломления.
Возьмем любой естественный прозрачный материал, например стекло или кварц, и направим на его поверхность луч света. В точке, где луч пересечет поверхность, мы мысленно проведем прямую, перпендикулярную поверхности. Для обычных материалов всегда верно, что луч пересечет эту прямую и продолжит распространяться примерно в том же направлении, немного отклонившись. Если взять вместо обычного материала среду с отрицательным коэффициентом преломления, луч в этой среде продолжит двигаться в другом направлении, не пересекая перпендикуляра.
Такие материалы были предсказаны советским физиком Веселаго еще в 1960-х годах как некоторый курьез, который можно описать в рамках электродинамики Максвелла. В 2000 году физикам впервые показали, что среды с отрицательным коэффициентом преломления действительно существуют — однако реализовать их можно лишь в виде метаматериалов.
В отличие от классических материалов, свойства которых определяются в основном веществом, из которого они состоят, свойства метаматериалов определяются их геометрией. Иными словами, в метаматериале можно заменить один металл на другой и его свойства почти не изменятся. Это можно пояснить на примере среды с отрицательным коэффициентом преломления.
Чтобы добиться отрицательного преломления, необходимо, чтобы отрицательными были сразу два свойства материала — диэлектрическая проницаемость и магнитная восприимчивость. Этими свойствами управляют два разных элемента структуры метаматериала. Возьмем классический пример. Эта среда выглядит как периодический массив маленьких идентичных антенн-ячеек.
Ячейка классического метаматериала с двумя С-образными антеннами
За отклик к электрической составляющей световой (электромагнитной) волны отвечает фрагмент непрерывного провода, тянущегося сквозь все ячейки. За отклик к магнитной компоненте света отвечает пара С-образных антенн, вложенных друг в друга. Все они по отдельности создают отрицательную проницаемость и восприимчивость в материале.
Однако такой материал работает лишь в очень узком диапазоне длин волн, который напрямую определяется размерами и формой антенн. Чем меньше размеры антенны, тем меньше и длина волны, для которой среда имеет отрицательный коэффициент преломления. Первые подобные материалы работали лишь в микроволновом диапазоне.
Вернемся к невидимости. Одного лишь создания среды с постоянным отрицательным коэффициентом преломления, очевидно, недостаточно для того, чтобы скрыть объект от постороннего глаза. В основополагающей работе, посвященной физике невидимости, определяются требования к материалу нашей гипотетической шапки-невидимки. Возьмем для простоты некую специальную сферу, окружающую скрываемый нами предмет. Коэффициент ее преломления должен контролироваться вдоль всей поверхности сферы — с возникновением градиента значений. Лишь тогда можно добиться того, чтобы лучи огибали интересующий нас объект. Для внешнего наблюдателя будет казаться, что лучи не встречают никакого препятствия — что в этой области пространства ничего нет.
Стоит заметить, что из-за волновой природы света даже метаматериалы не смогут замаскировать любой предмет идеально. Это связанно с утверждением, доказанным Адрианом Нахманом в 1988 году: измерив амплитуду и направления распространения лучей света (с помощью специального детектора), мы можем полностью восстановить пространственный профиль коэффициента преломления среды, через которую они прошли. Теорема допускает несколько дискретных положений детектора, при котором нам будет казаться, что маскируемый объект — бесконечно тонкая пластинка, но в остальных случаях шапка-невидимка будет давать сбой.
Впервые реализовать шапку-невидимку из метаматериала, работающую в микроволновом диапазоне, удалось в 2006 году физикам из Университета Дьюка. Она представляет собой набор из десяти вложенных цилиндров, каждый из которых состоит из одинаковых ячеек-антенн. Из-за различных радиусов кривизны цилиндров возникал градиент коэффициента преломления, который и заставлял свет огибать скрытый в центре предмет.
Перечисленные материалы обеспечивали эффекты невидимости для микроволнового диапазона — излучения с частотой около 10 гигагерц и длиной волны 3 сантиметра. Чтобы перейти к оптическим диапазонам (длины волн порядка сотен нанометров) необходимо масштабировать устройство — уменьшить размер ячеек в сто тысяч раз. Тогда отдельные антенны будут иметь характерные размеры порядка ста нанометров. Изготовить такие устройства можно лишь с помощью достаточно сложных методов нанолитографии и травления сфокусированным пучком электронов.
N + 1: Как устроены оптические метаматериалы?
Метаматериалы состоят из искусственно созданных метаатомов, которые гораздо меньше длины волны (360–760 нанометров). Поэтому, если речь идет об оптических метаматериалах, размеры метаатомов должны быть порядка 100 нанометров и меньше. Это предъявляет особые требования к нанотехнологическим процессам. Из чего же состоят метаатомы? Это могут быть металлические или диэлектрические наночастицы различной формы (сферы, диски) и их модификации и более сложные конфигурации в виде спиралей, систем колец.
Насколько сложно создать материал, работающий в оптическом диапазоне электромагнитного излучения?
Поскольку мы говорим о нанотехнологиях, то все упирается в разрешение микроскопии и средства литографии. Важно также обеспечить повторяемость при изготовлении наночастиц. Второй важной особенностью является тот факт, что включения метаматериалов должны быть высокорезонансными. Это означает, что метаатомы сильно взаимодействуют с падающим на них излучением. Однако резонансные свойства ухудшаются из-за того, что металлы на оптических частотах сильно греются — это потери. А диэлектрические не имеют таких сильных резонансных свойств, как металлические.
Существуют ли технологии, позволяющие менять коэффициент преломления в конкретной области пространства?
Речь идет о так называемой трансформационной оптике. Если создать метаповерхность таким образом, что каждой точке пространства будет соответствовать свой метаатом, со своими спектральными свойствами, то можно менять направление распространения света под тем углом, какой нам нравится.
Мы выполняем как теоретические, экспериментальные, так и технологические исследования. Для этого у нас построена прекрасная лаборатория с современным оборудованием. Мы развиваем направления кубитов — элементов квантового компьютера, создаем невидимые покрытия, занимаемся исследованием таких экзотических явлений, как анаполь и различные прикладные аспекты для космоса.
Стоит заметить, что метаматериалы используют не только для разработки технологии невидимости. Идеальное управление волновым фронтом света позволяет создавать плоские линзы. Для этого антенны определенным образом смещают фазу падающего на линзу света — этого оказывается достаточно, чтобы пучок впоследствии сфокусировался в точку. Недавно физики показали, что такие линзы не хуже традиционных оптических приборов.
Читайте также: