Шапка-невидимка впервые скрыла от человека крупный объект

Ранее световые волны запутывали сложными конструкциями. Теперь учёным не пришлось городить огород из наноразмерных слоёв, использовать сфокусированный ионный пучок, электронно-лучевую или многофотонную литографию, то есть прибегать к процессам, которые отнимают массу времени и делают конечный продукт дорогостоящим.

Принцип работы "шапки" или "плаща-невидимки" был в теории предложен ещё в 2006 году: нужно создать иллюзию, чтобы с любого угла обзора деформированное зеркало выглядело плоским. На этом рисунке показан ход луча при отражении от (a) плоской поверхности, (b) клина – меняется угол, (с) отражающей поверхности, расположенной поверх клина, – меняется расстояние, (d) "шапки-невидимки", покрывающей клин, – угол и расстояние те же, возникает иллюзия (иллюстрация Baile Zhang et al.).

В нынешних работах объект и прячущая его "шапка-невидимка" не являются единой структурой, что позволяет в любой момент отделить "волшебный" материал и прикрыть им другой сопоставимый по форме объект. Преимущества такого подхода очевидны.

Кальцит прозрачен для видимого света, а потому не обладает традиционным недостатком метаматериалов – поглощением большей части инфракрасного и видимого света. Двоякопреломляющие (birefringence) одноосные кристаллы обладают двумя показателями преломления: 1,66 и 1,49 соответственно (при длине волны 590 нанометров). Из-за таких свойств проходящее через кальцит изображение будто бы двоится (фото Adrian Pingstone/Wikipedia).

Героями обеих работ стали кристаллы кальцита. Учёные склеили между собой два куска прозрачного минерала, чтобы скорректировать ход светового луча как на входе, так и на выходе. В обоих случаях под кристаллом прятали похожий на двойной клин объект.

Первой группой физиков руководил Шуан Чжан (Shuang Zhang) из университета Бирмингема. Ему ассистировал физик Джон Пендри (John Pendry) из Имперского колледжа Лондона, являющийся одним из авторов работы по той же теме образца 2006 года.

Траектории световых лучей, падающих на плоскую поверхность и клин под углами 45° и 15°, в присутствии "шапки-невидимки" и без неё (не показано преломление лучей внутри кристаллов). В первых двух случаях (a, b) не происходит рассеяния света, он отражается будто от плоской поверхности (иллюстрация Shuang Zhang et al.).

Сначала учёные сделали теоретические выкладки, убедившись, что под кальцитом можно спрятать объект высотой несколько сантиметров. Физики рассчитывали провести эксперимент на длине волны 590 нанометров. Однако процесс создания призмы внёс свои коррективы: геометрические параметры изделия отличались от предусмотренных дизайном, а потому эффект скрытия лучше всего проявился при λ = 532 нм (зелёный свет).

Схема эксперимента (a), а также изображения, полученные с использованием зелёного (λ = 532 нм) и красного (650 нм) лазеров. Учёные отмечают, что даже без использования металлической фольги на "дне" призмы световые лучи претерпевают полное внутреннее отражение в широком диапазоне углов падения. Чтобы лучше понять, что происходит с лазерными лучами, исследователи поставили на их пути маску в виде стрелки (иллюстрация и фото Shuang Zhang et al.).

В эксперименте на пути лазерного луча поставили линейный поляризатор, который пропускал либо поперечные электрические (TE), либо поперечные магнитные (TM) волны. Первые были своего рода контрольной группой, которая показывала картинку, формирующуюся в отсутствие эффекта скрытия.

На слайде b (картинка выше) показано отражение луча от обычного плоского зеркала (как эталон). Как и положено, стрелка перевернулась в другую сторону.

Так как нижняя поверхность призмы из кристаллов представляет собой две плоскости, расходящиеся примерно на 10°, TE-поляризованный луч, отражаясь от обеих, расходится на два пучка. В результате на экране, удалённом от "шапки-невидимки" на 18 сантиметров, отпечатываются две половинки стрелки, разнесённые в пространстве на довольно большое расстояние. Это хорошо видно на слайде c.

Учёные показали, что на границе между кристаллами отражения нет. По крайней мере, в случае двух анизотропных кристаллов с оптическими осями, расположенными под одним углом к плоскости соединения. Отражение от границы раздела "кристалл – внешняя среда" существует, но его можно нивелировать, если создать на поверхности наноструктуры. Тогда и сама "шапка-невидимка" исчезнет (иллюстрация Shuang Zhang et al.).

В это же время TM-поляризованный луч проходит через призму как ни в чём не бывало, будто отражается от её плоского основания (слайд d). Небольшая тонкая полоска посередине – результат рассеяния света на вершине треугольного клина (неидеальное выравнивание двух кристаллов друг относительно друга).

Учёные продемонстрировали работу "шапки-невидимки" для трёх углов падения (39,5°, 64,5°, 88° — слайды e, f, g) и сделали вывод, что призма из кристаллов будет работать в широком диапазоне углов.

На слайде h показана фотография, полученная при прохождении через призму красного лазерного луча. Ниже: отражение от плоской поверхности. Снова видно, что TE-лучи расходятся гораздо сильнее TM-лучей ("трещина" в центре составляет 2 мм).

Физики также отразили в кристаллах алфавит (белые буквы на чёрном фоне). При этом нижнюю поверхность покрыли слоями титана (2 нм), серебра (200 нм) и золота (50 нм): так свет отражался при всех углах падения. В результате TE-лучи (внизу слева) "показали" сведённое изображение букв (CDRSTU) – эффект искривлённого зеркала. А TM-лучи (внизу справа) передали на камеру последовательность букв от H до L – как будто нижняя зеркальная поверхность была плоской. Цветные края букв свидетельствуют о разложении белого света на составляющие и, соответственно, о работе "шапки-невидимки" во всём видимом диапазоне (иллюстрация и фото Shuang Zhang et al.).

Вторая группа учёных под руководством Бэйле Чжана (Baile Zhang) из сингапурского центра SMART теоретизировала меньше и создала трапециевидную "шапку-невидимку". Всю конструкцию поместили в воду.

Чёрный скрывающий "кирпич" поверх клина и зеркала. Жёлтыми прерывистыми стрелками показаны оптические оси кристаллов. Для зелёного света лазера показатель преломления для магнитной составляющей n1 = 1,48, а для электрической n2 = 1,66. Другие показатели: α = 66°, β = 6°, γ = 37,5°, w = 10 мм, h1 = 14,5 мм, h2 = 2 мм, s = 38 мм (иллюстрация Baile Zhang et al.).

Передняя, смотрящая на зрителя, и задняя части "кирпича", а также его верх были окрашены чёрной краской, это покрытие поглощало рассеянный свет. Нижняя поверхность "шапки-невидимки" покрыта серебром. Стороны, смотрящие на лазер и камеру (через них проходил свет), были тщательно отполированы.

Схема эксперимента второй группы. На левую "входящую" сторону бачка с прозрачной бесцветной жидкостью нанесён перевёрнутый шаблон MIT: буква M попадает на клин, а IT отражаются от зеркала. Камера принимает изображение с правой "выходящей" стороны. Угол падения (θ) равен 18° (иллюстрация Baile Zhang et al.).

Внизу под склеенными кристаллами было сделано отверстие – в него идеально входил стальной клин, который и собирались прятать. Учёные показали, что традиционная тройка (красный, зелёный, синий свет) "не видит" этот объект.

Здесь показаны изображения, полученные в присутствие одного клина (a), плоскости, помещённой поверх клина (b), когда клин скрыт кальцитовой "шапкой-невидимкой" (c). Во всех случаях на трафарет светил зелёный лазер (λ = 561 нм). На рисунках d, e показаны фотографии, сделанные при освещении синим (488 нм) и красным (650 нм) лазером, клин скрыт кристаллами кальцита. Шкалы отражают интенсивность излучения в условных единицах (фото Baile Zhang et al.).

"Я думаю, правительственным организациям будет интересна наша работа. Ведь с её помощью можно делать невидимыми объекты, расположенные на морском дне. Хотя для каких целей она сможет им пригодиться, пока говорить рано", — рассказывает один из авторов второй публикации Джордж Барбастатис из SMART.

Добавим, что нынешние работы фактически протоптали дорожку для будущих исследований в этой многообещающей области. Ведь несложную технологию легко повторить и сделать широко распространённой. Этому в частности способствует то, что кальцит – дешёвый и простой в производстве материал.