Рождение невидимки, или Что мы знаем о метаматериалах

Сегодня мы познакомимся с творением, которое поистине можно назвать прорывом XXI века. Еще в прошлом столетии его считали антинаучной сказкой, детищем будущего, смелой фантазией. Но не прошло и тридцати лет, а завтрашняя мечта о невозможном уже стала реальностью. Но позволим себе роскошь быть последовательными и не будем забегать вперед.

Истоки

Дабы без страха и неопределенности приоткрыть завесу тайны странных, незнакомых нам «метаматериалов», кратко ознакомимся с историей их рождения. Бенгальский учёный-энциклопедист Джагадис Чандра Бозе в начале XX века проводит первые эксперименты в микроволновой оптике. Именно тогда ученому удается создать некий прообраз первого метаматериала. Опыты по микроволновой оптике продолжаются, и в 50-х годах группа американских ученых во главе с Уинстоном Э. Коком делает еще один шаг: им удается сконструировать микроволновые линзы, чей эффективный показатель преломления приближается к аналогичному параметру в современных метаматериалах. Не проходит и десяти лет, а на другом конце мира советский ученый Виктор Георгиевич Веселаго публикует статью, в которой прямо утверждает существование материалов, чьи оптические свойства кардинально отличаются от привычных нам еще со школьной скамьи!

Однако и опыты Бозе, и конструкция Кока, и выводы Веселаго не создали, а лишь приблизили человечество к «настоящим» метаматериалам. Их эра могла бы начаться гораздо раньше, если бы не предрассудки, увы, присущие «всезнающему» миру авторитетной науки. Недостаточная техническая оснащенность и капля нежелания противиться устоям – этого хватило, чтобы признать теорию Веселаго антинаучной и забыть ее на долгих 30 лет. Казалось, что искра интереса к принципиально новым материалам погаснет, так и не успев разгореться. Но наступило двадцать первое столетие. Оно ознаменовало собой создание первых настоящих метаматериалов, начало их промышленного производства и использования во многих сферах человеческой жизни.

Материал-конструктор

Метаматериалы – это композитные, то есть многокомпонентные материалы, которые структурируют, «укладывают» особым способом для получения в дальнейшем необходимых свойств. По структуре такой материал напоминает конструктор, где элементы из одного материала могут чередоваться, содержаться, встраиваться в другой материал. Подобные структуры – гармонично прекрасные симбиозы колец, рамок, кубов – все это различные метаматериалы.

Не случайно для них было выбрано именно такое название – приставка «мета-» (с греческого «вне-») прекрасно раскрывает всю их сущность. Дело в том, что все периодические структуры, то есть расположение элементов нашего воображаемого конструктора, сами по себе никакими сверхфизическими свойствами не обладают. Это могут быть вполне «заурядные» крохотные золотые кольца или металлические рамки. Но если в основном материале они расположатся особым способом, то полученный «модифицированный» материал явит собой нечто невероятное.

Преломление – основа невидимости?

Одним из свойств метаматериалов является способность управлять показателем преломления. Всем нам знакомо коварное явление миража – на пустынном горизонте нам вдруг начинают видеться море или далекие оазисы. Свет от удаленных объектов испытывает преломление в сильно нагретом слое воздуха, из-за чего нам кажется, что мы действительно видим удаленные предметы. Отклонение можно наблюдать, поместив какой-нибудь объект, например, карандаш, в воду. Та часть, которая находится вод водой, будет казаться нам искривленной. Значит, преломление – это способность света отклоняться, менять направление распространения при прохождении его через прозрачные среды. Все дело в миллиардах атомов – они виновники не только отклонения света, но и его замедления. Вспомните такое малоприятное явление, как утренняя давка в метро: вы спешите, вам приходится лавировать, обгоняя других людей, сталкиваться с ними. Ваша скорость неизменно замедляется, а траектория отклоняется. То же самое происходит и со светом, с миллионами фотонов, которые вынуждены сталкиваться с атомами среды, «пробираться» сквозь них. Соответственно, чем плотнее среда, тем больше будет замедление и отклонение светового потока.

Преломление света в средах: а) с положительным показателем преломления; б) с отрицательным показателем преломления

Ранее упомянутый показатель преломления есть отношение скорости света в идеальном вакууме к скорости света в среде. Вы как будто сравниваете вашу скорость в переполненном метро и на абсолютно свободном проспекте. Как правило, показатель преломления – величина постоянная. Узкий луч света, проходя через среду меняет свое направление, но выйдя из среды, он продолжает движение по прямой.

Выходит, если сделать так, что в каждой точке материала свет изменялся бы заданным образом (произвольно менял свое направление), то можно добиться того, что свет будет просто огибать материал, делая его невидимым. При этом необходимо, чтобы коэффициент преломления стал величиной отрицательной. Еще в середине прошлого столетия идея создания подобных материалов считалось физически нереализуемой. Но не прошло и пятидесяти лет, а физики уже вынуждены переписывать учебники оптики.

Типы метаматериалов

Теперь, познакомившись, а может, и вспомнив, сущность коэффициента преломления, мы можем переходить к классификации метаматериалов. И начнем, конечно, с распространения света. Разумеется, это не единственный критерий для разделения. В зависимости от знака диэлектрической ε и магнитной постоянной μ метаматериалы подразделяются на ε-негативные и μ-негативные и бинегативные (то есть отрицательные).

Модели оптических метаматериалов: а) одномерные; б) двумерные; в) трехмерные

Так, как и «обычные» материалы, метаматериалы могут быть проводниками, полупроводниками и диэлектриками. Стоит обратить внимание, что это не совсем привычные нам определения, связанные со способностью материала проводить электрический ток. Проводниковые метаматериалы обеспечивают перемещение квазичастиц на достаточно большие расстояния, а диэлектрические – отражают их, подобно зеркалам. Полупроводниковые же метаматериалы могут отражать, к примеру, только определенный набор квазичастиц. А чем же квазичастицы отличаются от привычных нам частиц и почему в определениях фигурируют именно они? Рассмотрим в качестве примера некоторое кристаллическое тело.

В кристалле возбуждение одной частицы (предположим, что она поглощает квант света(фотон)) приводит к возбуждению соседних частиц. Все атомы кристалла взаимосвязаны, и возбуждение частицы не может носить локальный характер, а передается соседям. В итоге получается своеобразная волна возбуждения. Все это напоминает ситуацию, когда вы бросаете камешек в пруд – он не незаметно уходит под воду, а оставляет после себя рябь, распространяющуюся по всей водной глади. И чем больше камень, тем, соответственно, сильнее будут заметны возбуждения. Если мы примемся описывать каждую частицу, взаимодействующую с другими в таком процессе, получится крайне нудный и достаточно долгий процесс. Поэтому волне возбуждения ставится в соответствие квазичастица, обладающая эффективной массой. Именно она и учитывает сложный характер взаимодействий частиц внутри кристаллического тела. Разумеется, квазичастица в квантовой физике – понятие гораздо более обширное, но в нашем случае достаточно лишь такого краткого определения.

Эффект ряби: распространение квазичастиц (фононов) в среде

Невидимость – сегодняшняя фантазия или завтрашняя реальность?

На сегодняшний день удалось создать конструкцию из метаматериала, практически не видимую для микроволнового излучения. Представьте себе реку с быстрым течением. Вода огибает валуны, но уже чуть ниже по течению снова приобретает первоначальное направление, как будто этих валунов и не было. То же самое происходит и с электромагнитными волнами, когда они сталкиваются с метаматериалом. Они просто огибают конструкцию, делая все внутри нее невидимым для радиоволн. Что же касается видимого спектра, то тут тоже есть значительные успехи. Удалось создать материал, невидимый для красного и более сложного сине-зеленого спектра.

Что же мешает создать материал, невидимый для всех длин волн? Сложность технического исполнения. Дело в том, что для того, чтобы метаматериал искривлял направление волны, его внутренние структуры должны быть меньше длины этой волны. Для микроволны, с длинной, равной 3 см, необходимо внедрить в материал элементы размером меньше 3 см. Сложности возникают, когда мы ходим искривить волну видимого спектра. Например, для фиолетового света с длинной волны 400 нм (нанометр - одна миллиардная часть метра) потребуются структуры размером порядка нескольких сотен атомов.

Выходит, для создания той же самой мантии-невидимки, способной произвольно искривлять путь светового луча, нам придется модифицировать отдельные атомы внутри материала. Однако ученые уверены, что в ближайшем будущем работа с атомами станет вполне возможной.

Так что же получается, мы все же можем создать мантию-невидимку? Ответ, увы, может разочаровать. Да, ее идея о ее создании находится в полной гармонии с физическими законами. Но не стоит в ближайшем будущем рассчитывать на ее появление. Дело в том, что в отличие от узкого луча обычный свет падает на предмет под различными углами, кроме того, мы постоянно можем изменять положение этого предмета, что будет также изменять углы падения и отражения света. Всем вам хорошо знакомы картинки, изменяющие свое изображение в зависимости от того, под каким углом мы на них смотрим. То же самое происходит и с невидимостью метаматериалов. Пока мы смогли добиться невидимости только в двумерной плоскости. Для того, чтобы сделать предмет невидимым в трех измерениях, необходим сложный рисунок внедренных в материал элементов. Нам придется создавать сложнейшие конструкции из отдельных атомов, собирая их как конструктор Лего.

Преломление света в метаматериале, создающее эффект невидимости

Но, пожалуй, самой сложной задачей будет работа с частотами. На современном этапе развития метаматериалы могут изгибать свет только определенной частоты. Перед созданием конструкций-невидимок нам необходимо сделать так, чтобы метаматериал «работал» не с одной, а с несколькими частотами.

Но не стоит унывать. За каких-то двадцать лет физикам удалось не только пошатнуть, но и в некотором роде перевернуть классическое представление об оптике. И кто знает, возможно, когда-нибудь невидимость станет для нас столь же обыденным явлением, как мобильная связь или телевидение. Так что, дорогой читатель, познавай неизведанное, смело доверяй воображению и не бойся фантазировать, и возможно именно ты станешь следующим, кто перевернет этот мир.