Эра невидимки

Ученые вплотную подошли к созданию материалов, способных делать предметы невидимыми глазу

Человек давно мечтал сделаться невидимым, и вот теперь эта мечта может сбыться.

Фото: Colin Hawkins (Stone Fotobank.com)

В мае две группы физиков-экспериментаторов из США практически одновременно объявили о том, что им удалось создать материал, способный скрыть объект от наблюдателя в определенном диапазоне волн. Иными словами, мечта о шапке-невидимке оказалась вовсе не такой уж несбыточной. Ведь что значит стать невидимым с физической точки зрения? Мы видим все, что каким-то образом взаимодействует со светом - отражает, рассеивает или поглощает его (правда, в последнем случае объект для наблюдателя становится черным пятном). Следовательно, чтобы спрятать предмет, нужно сделать так, чтобы он не взаимодействовал со световыми или электромагнитными волнами. Или взаимодействовал, но создавал при этом у наблюдателя иллюзию пустоты.

Еще в самом начале развития оптики французский математик Пьер Ферма постулировал, что луч света, направляясь из точки А в точку Б, выбирает кратчайший путь. Но физики задались вопросом: а что будет, если каким-то образом удастся изменить свойства участка пространства, чтобы свет "предпочитал" огибать его, считая эту "огибающую" самым коротким расстоянием между точками. Дэвид Смит, профессор Университета Дьюка (США), сравнивает этот процесс с попыткой продырявить кусок ткани. Ткань - пространство, а составляющие ее волокна - траектории световых лучей. В обычном состоянии лучи идут прямо, как и нити в полотне. Если же аккуратно раздвинуть волокна, не повредив их, получится дыра, пустой участок, куда лучи света не попадают вообще. И любой объект, попавший внутрь такой дыры, окажется невидимым.

И действительно, физики, изучавшие процессы взаимодействия света с веществом, обнаружили, что в природе существуют механизмы, способные заставить свет двигаться не по прямой. "Искривление траекторий световых лучей происходит из-за различий в свойствах веществ, через которые они распространяются", - объясняет этот феномен заместитель директора Института теоретической и прикладной электродинамики Российской академии наук Владимир Кисель.

Еще со школьной скамьи нам знакомо такое явление, как преломление света: достаточно вспомнить, как выглядит ложка, опущенная в стакан с водой. Коэффициент преломления материала показывает, насколько луч отклоняется от прямой, когда переходит из одной среды в другую. Он определяется двумя параметрами - диэлектрической и магнитной проницаемостью вещества. Подобрав вещества с определенными значениями этих двух параметров, можно, что называется, "поиграть" со светом. Впрочем, есть две тонкости. Первая: необходимо, чтобы луч света изгибался плавно. А для этого надо, чтобы среда была неоднородной - параметры должны постепенно меняться. И вторая: чтобы добиться невидимости, нужны материалы, у которых и диэлектрическая, и магнитная проницаемость одновременно меньше единицы. В природе таких просто не существует.

Впервые возможность решить задачу появилась с созданием метаматериалов - искусственных материалов с заданными качествами. Их получают, внося в вещество металлические элементы в определенном порядке. Важно, чтобы эти вставки и расстояния между ними были много меньше длины волны, с которой вещество должно взаимодействовать. "В таком случае волна не будет "замечать" каждую отдельную вставку, а будет воспринимать весь материал в целом как вещество с новыми свойствами, - объясняет Владимир Кисель. - Так можно получить требуемые значения диэлектрической и магнитной проницаемости вещества".

Интересно, что метаматериалы были предсказаны еще в 1967 году советским физиком Виктором Веселаго, сотрудником Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН. В статье, опубликованной в "Успехах физических наук", ученый теоретически исследовал свойства материалов с отрицательными значениями диэлектрической и магнитной проницаемости. А впервые создать материал с такими свойствами удалось в 2000 году ученым из Калифорнийского университета в Сан-Диего (США). С этого момента начался бум работ, посвященных метаматериалам. И в том числе материалам, способным заставлять свет "огибать" объект и создавать тем самым эффект невидимости.

Первой успеха добилась интернациональная группа ученых из США и Великобритании под руководством упоминавшегося уже Дэвида Смита, которая в 2006 году продемонстрировала устройство, которое могло спрятать объект от микроволнового излучения. Первая в мире "шапка-невидимка" представляла собой десяток вложенных друг в друга цилиндров из печатных плат с "вставленными" в них резонансными элементами. Под "шапку" исследователи спрятали медный цилиндр. Затем всю конструкцию "просвечивали" электромагнитным излучением, наблюдая за тем, как его свойства меняются на выходе. "Шапка" действительно создавала иллюзию пустого пространства на месте объекта.

Правда, выявились и ее слабые места. Во-первых, она оказалась эффективной только для очень узкого диапазона электромагнитных волн - в эксперименте оптимальная частота составила 8,5 гигагерца. При изменении частоты эффект исчезал. Во-вторых, "шапка-невидимка", сделанная из диэлектрика, сильно поглощала свет. Электромагнитная волна, прошедшая через оболочку, на выходе теряла почти всю энергию. Если бы речь шла об оптическом диапазоне, наблюдатель увидел бы либо очень слабое изображение предмета, который должен находиться за "шапкой-невидимкой", либо просто темное пятно. Тем не менее начало было положено.

Несколько позже та же группа ученых разработала другой способ скрыть объект - использовать не "шапку", а скорее "ковер-невидимку". Вместо экрана из диэлектрика, который должен скрывать предмет полностью, исследователи предложили покрытие из проводящих материалов. Если объект спрятать под такой "коврик", то лучи будут отражаться от него как от плоской поверхности. А значит, хотя сам "ковер" и будет виден, наблюдатель не заподозрит, что под ним что-то спрятано. В начале мая стало известно, что в этом направлении произошел очередной прорыв: две американские научные группы из Корнеллского университета и Калифорнийского университета в Беркли заявили о том, что они существенно улучшили результаты предшественников и вплотную приблизились к видимому диапазону спектра, где длины волн составляют несколько сотен нанометров.

Это удалось сделать, значительно уменьшив размеры "вставок" и отказавшись от металлических частей, сильно поглощающих свет. Группа из Корнеллского университета под руководством Михаль Липсон в качестве подложки использовала двуокись кремния с вкрапленными в нее участками кремния диаметром 50 нанометров. Их коллеги из Беркли (руководитель группы Сян Чжан) сделали "коврик" из двуокиси кремния с прорезанными в нем отверстиями диаметром 110 нанометров. "Ковры-невидимки" работают в ближнем инфракрасном диапазоне волн, который граничит с видимой красной частью спектра. Исследователи уверены, что это не предел: в будущем они надеются достичь невидимости в еще более широком диапазоне.

Над созданием устройств-невидимок продолжают работать и теоретики, и экспериментаторы. Предлагаются различные схемы: от развития идеи "ковра-невидимки" до совсем экзотических вещей. В частности, группа исследователей из Китая теоретически доказала возможность спрятать объект, который находится не внутри, а снаружи "шапки-невидимки". Впрочем, несмотря на очевидные успехи, некоторые специалисты до сих пор высказывают сомнения в том, что когда-нибудь удастся достичь полной иллюзии пустоты. "Схема этого эффекта выглядит очень красиво, - объясняет Владимир Кисель, - но он работает только в узкой полосе диапазона". Так что, возможно, "игры в невидимость" действительно кончатся ничем. Но может быть, попытки управлять светом когда-нибудь приведут исследователей к совершенно неожиданным результатам.

Ольга Закутняя

Комментарий: Предлагаемая статья  интересна не столько с точки зрения возможностей сегодняшних дней создания  «шапок-неведимок», сколько (для меня) подтверждения о том, что мифы не врут в части тех свойств, которые нам кажутся не реальными и противоречащими законам физики  (как мы  считаем сейчас). Наши сказки, Илиада Гомера - шлем Аида. И диалектика восприятия этих упоминаний научным миром: от полнейшего отрицания в 18-20 веках, до понимания, как такая шапка может работать в 21 веке. Кстати, о положениях квантовой механики ( одно из них, принципиальнейшее - свет, фотоны движутся прямолинейно). Поэтому в 20 веке и не могли даже подумать, а тем более создать устройства-невидимки.