Невидимые за стеклом

Сообщения о разного рода плащах и шапках – невидимках довольно регулярны в научных журналах. Этой проблемой занимается ряд научных групп во всем мире, причем применяются как практические, так и теоретические подходы. Первые подразумевают поиск материала, который мог бы изгибать лучи видимого света в аномальном направлении, а также минимально поглощать его, чтобы на выходе нельзя было наблюдать почти ничего. Второй подход – теоретически рассчитать свойства материала, которые обеспечат невидимость, а потом направленно пытаться создать именно такой объект. Термин «вещество» здесь неприменим, потому что отрицательным показателем преломления (то есть способностью изгибать свет в «невозможную» сторону) обладают метаматериалы – композиционные материалы, свойства которых определяются не составом, а микроструктурой.

В природе материалов с отрицательным коэффициентом преломления нет, поэтому картинки, иллюстрирующие работу таких сред, выглядят «противоестественно».

Но это вовсе не говорит о невозможности явления: теоретически оно было предсказано еще в 1967 году Виктором Георгиевичем Веселаго, который сейчас является профессором Московского физико-технического института. Если бы такие метаматериалы окружали нас повсюду, многие привычные явления выглядели бы по-другому. Например, милиционеру, измеряющему радаром скорость движения приближающейся машины в воздухе с отрицательным показателем преломления, показалось бы, что она едет по встречной полосе, то есть отдаляется.

На данный момент ученые научились «прятать» объекты микроскопического размера, правда невидимыми они будут не в видимом, а в ИК-диапазоне. Разработаны также плащи-невидимки для тонких пленок в радиодиапазоне. Некоторые из них работают лишь на плоскости, то есть способны скрыть объект только в двух из трех пространственных направлений.

Новое исследование «невидимости» под руководством профессора Елены Семушкиной из Мичиганского технологического университета публикует Applied Physics Letters.

Новый плащ-невидимка сделан из стекла и может «накрыть» металлический цилиндр диаметром 15 мкм.

Он состоит из резонаторов, расположенных «ступеньками». В результате возникающего магнитного резонанса среда обретает параметры, необходимые для невидимости.

«В США я работаю уже около 15 лет. Я начинала научную работу в Томске, там я защитила кандидатскую диссертацию по физико-математическим наукам, а в США в Университете Пенсильвании – PhD по материалам, то есть мои научные степени по разным дисциплинам.

С тех пор моя работа совмещает в себе изучение материалов и электромагнитных процессов. Она в области, где эти дисциплины соединяются. Раньше я работала над фильтрами и антеннами для микроволнового диапазона, исследовала резонанс в этой области, а когда появилась тематика метаматериалов – я соединила магнетику и диэлектрические материалы, над которыми мы работали ранее. Полученные метаматериалы были уникальными - это были первые диэлектрические метаматериалы, они работают без металлов.

Эффект работы таких материалов интересно проверить на волнах именно в оптическом диапазоне, когда понятие «видимость-невидимость» вполне реально. Однако первая работа по «невидимости», опубликованная в Science в 2006 году, была посвящена исследованиям микроволнового диапазона. Связано это с большими техническими трудностями наблюдения «невидимости» в оптическом диапазоне на метаматериалах на базе металлов. Они в оптическом диапазоне не работают из-за слишком больших потерь. А вот диэлектрические метаматериалы можно продвинуть в оптических диапазон.

Итак, первый аспект нашей работы – это объединение наших идей по диэлектрическим материалам и работ по «плащу-невидимке».

Сейчас мы сделали только первый этап эксперимента - создали структуру плаща из халькогенидных стекол. Попутно я переехала из Пенсильвании в Мичиган, организую работу в обоих университетах. Проведены первые демонстрации работы плаща – пока в микроволновом диапазоне», - рассказала Елена.

Наноразмерные резонаторы из халькогенидного стекла (содержит сульфиды германия, галлия и индия) формируют концентрическую структуру плаща.

Расчеты показали, что стеклянные резонаторы в форме цилиндра диаметром 300 нм и высотой 150 нм дают самые лучшие результаты «покрытия» для света длиной волны 1 мкм.

Большим достижением является то, что резонаторы по всем слоям плаща идентичны – в случае массового производства это особенно важно. Неизмеримо сложнее производить наноразмерные объекты разных точно заданных измерений.

В предварительных расчетах ученые моделировали поведение цилиндрических объектов бесконечной длины диаметром от 5 до 15 величин длины волны света, в котором планируется «прятать» объект. Получилось, что резонирующая система может «накрыть» объекты в широком диапазоне света ИК-частот.

«Второй аспект – теоретическое моделирование. Мы смоделировали и рассчитали плащ, состоящий не из натуральных атомов, а из маленьких трехмерных резонаторов, составляющих метаматериал. До этого расчеты плащей проводились для слоев материала с определенными параметрами. Считалось, что каждый слой состоит из материала с определенными эффективными свойствами, а мы смоделировали реальный резонатор, который используется в эксперименте. В нем нельзя обнаружить полностью однородные свойства, так как возможны взаимодействия между элементами. В наших расчетах есть возможность учесть неоднородность электромагнитного отклика.

Мы продолжаем работать в этой области – учитывать взаимодействия элементов в метаматериалах. До нас таких работ не проводилось, потому что область развивалась очень быстро, и много было сделано предположений, которые нужны были, чтобы двигаться. Сейчас есть время остановиться и проработать эти моменты, чтобы идти дальше», - объяснила Елена.

В ответ на вопрос о возможности возвращении в Россию в рамках программы грантов для ведущих ученых профессор выразила сомнение в реализуемости проекта.

«Мы пока не очень представляем, насколько это реально. Пока часто бывают очень хорошие идеи, но когда они реально воплощаются – все получается не так красиво. Но мы не исключаем для себя таких возможностей. Мы с мужем работаем в США, но следим за ситуацией в России, являемся постоянными читателями вашей газеты. У нас еще квартира в Петербурге, у нас дети русские, говорят по-русски, и очень интересуются Россией. Есть и другая проблема. Здесь научная работа очень интенсивна, гораздо интенсивнее, чем была у нас России. Мы очень загружены, времени искать информацию нет. В Америке сообщения о грантах очень доступны, в России с этим гораздо сложнее», - отметила она.