Невидимость уже видится

11 августа 2008 года сразу две группы американских ученых объявили о создании новых материалов с отрицательным показателем преломления. Подобные материалы существовали и ранее, однако они работали только для электромагнитных волн, распространяющихся в определенной плоскости, и узкого диапазона частот. В перспективе подобные материалы могут применяться для создания маскирующих экранов, которые будут делать объекты в определенной зоне невидимыми для стороннего наблюдателя.

Обе группы ученых работали под руководством Сян Джан (Xiang Zhang) из Калифорнийского университета в Беркли, США, при финансовой поддержке военных.

Отрицательный показатель преломления означает, что свет в материале распространяется особым образом: направление фазовой скорости электромагнитной волны оказывается противоположным направлению ее распространения. Впервые понятие материала с отрицательным показателем преломления появилось в работе советского физика, ныне профессора МФТИ, Виктора Веселаго в 1967 году. Однако тогда эти выкладки посчитали не более чем гипотетическими умозаключениями. Да и сам автор не смог предъявить научной общественности конкретный материал с такими свойствами. Стоит заметить, что это не вина исследователя: в природе до сих пор не обнаружено веществ с отрицательным коэффициентом преломления. Таким образом, результаты Веселаго оказались забыты на сорок лет.

В 90-х годах прошлого века с расцветом нанотехнологий расцвела и теория метаматериалов - материалов, свойства которых определяются особенностями конструкции, а не химическим составом. В 2000 году Дэвид Смит из Калифорнийского университета в Сан-Диего показал, что, если материал с определенными свойствами нельзя найти, то его можно создать.

Простейшим примером метаматериала служит металлическая сетка. Свойство пропускать свет не зависит от металла, из которого она изготовлена. С этого и начал Дэвид Смит. Он взял листы медной сетки и расположил их в несколько слоев. Он даже не использовал нанотехнологии – размер ячеек был чуть больше 2,5 миллиметра. Выбрав ячейки должным образом, Смит добился того, что этот медный "пирог" стал для электромагнитных волн с частотой 10 гигагерц материалом с отрицательным коэффициентом преломления.

В этом же году случилось другое важное событие: британский физик Джон Педри теоретически показал, что из материалов с отрицательным коэффициентом преломления (которых, напомним, на момент написания работы открыто еще не было) можно создать суперлинзу. Оптические устройства с положительным показателем преломления ограничены дифракционным пределом — они могут показывать детали, размер которых равен или больше длины волны света, отраженного от объекта. Дифракция накладывает теоретический предел на системы создания изображения. К несчастью, самая короткая длина волны видимого света составляет около 380 нанометров. Это означает, что в обычный оптический микроскоп нельзя рассмотреть атомы (0,1 нанометра), молекулы (0,5 нанометра), вирусы (20-300 нанометров). Чтобы обойти этот предел ученым пришлось создать электронную микроскопию, дифракционную рентгеноскопию и другие сложные и дорогие технологии.

Джону Пендри удалось показать, что линза, сделанная из метаматериала с отрицательным коэффициентом преломления, не обладает дифракционным пределом. Это означает, что теоретически представляется возможным создавать оптические микроскопы с недоступным ранее разрешением. На практике эти результаты были подтверждены спустя семь лет, в 2007 году, несколькими независимыми группами исследователей по всему миру. Но оказалось, что и это ещё не все.

В 2006 году уже сэр Джон Пендри представил на суд общественности теоретические основы невидимости. В его работе утверждалось, что если объект поместить внутрь специально сконструированной суперлинзы, то для стороннего наблюдателя этот объект станет невидимым. Световые волны, подчиняясь внутренней структуре материала, будут огибать его со всех сторон; правда, в работе отмечалось, что материалов с подобными свойствами в настоящее время не существует. Несмотря на это, Агентство передовых исследований при Министерстве обороны США (DARPA) выделило на научную работу солидный грант. С тех пор группа Пендри сообщила о нескольких существенных результатах: к концу 2009 года они пообещали создать материал, делающий объект невидимым в диапазоне радиочастот, а к 2011 году сделать невидимым танк.

Последнее из ключевых событий случилось в июне 2008 года. Математик Грейм Милтон (Graeme Milton) из Университета Юты обнаружил у некоторых суперлинз маскирующую зону. Оказалось, что объект не надо помещать внутрь линзы, достаточно поставить его рядом. Лучи света, отраженные от объекта, будут скрываться лучами света преломленными линзой. Отраженный свет не будет достигать наблюдателя, и объект будет для него невидим. В этом смысле невидимость Милтона напоминает шапку-невидимку: достаточно одеть ее, и становишься весь невидимым, в то время как невидимость Пендри – это плащ, в который необходимо укутываться. В доказательство работоспособности своей теории американские математики представили компьютерную программу для случая плоских (двумерных) магнитных волн. Как это будет выглядеть в пространстве (трехмерном), ученые не ответили.

К августу 2008 года уже набралась достаточно большая коллекция метаматериалов с отрицательным показателем преломления. И вот, наконец, 11 августа на суд научного сообщества были представлены сразу два материала, которые по утверждениям создателей обладают отрицательным показателем преломления для широкого диапазона электромагнитного излучения. В частности, в этот диапазон попадают частоты видимого света. Вообще говоря, это не первый материал с подобными свойствами. В 2007 году исследователи из Принстона представили многослойную конструкцию из серебра и полупроводников, которая также обладала похожими свойствами. Однако она поглощала большую часть излучения, что делало невозможным его применение в оптике.

Как утверждают создатели, новые материалы лишены подобных недостатков. Схема первого напоминает принстонский аналог. Сами ученые называют ее "рыболовной сетью". Материал представляет собой несколько чередующихся слоев серебра и фторида магния, в которых проделаны отверстия нанометрового размера. Из полученного материала ученые изготовили призму, для демонстрации оптических эффектов. Их работа будет опубликована в Nature.

Вторая группа исследователей использовала пористый оксид алюминия. Внутри полостей при помощи специального процесса ученые вырастили серебряные наноштыри, расположенные очень близко (на расстоянии меньшем длины световой волны) друг к другу. Работа этой группы будет опубликована в журнале Science.

Сами ученые достаточно скептически смотрят на перспективы применения этих материалов для создания плащей-невидимок. Так в телефонном интервью Reuters, один из создателей материала Джейсон Валентин (Jason Valentine) заявил, что людям пока не стоит волноваться по поводу возможного появления плащей-невидимок. Хотя он и отметил, что потенциально новый материал может быть использован для создания невидимости по методу, предложенному Джоном Пендри.