Анатомия шапки-невидимки

Как обещает третий закон Кларка, любая достаточно развитая технология неотличима от магии. А значит, любые волшебные артефакты, с которыми мы встречались в сказках, фэнтези и других фантастических жанрах, могут оказаться высокотехнологическими устройствами, созданными учеными. В новом тексте серии «Это фантастика» мы обратили внимание на всевозможные шапки-невидимки, мантии невидимости и Кольца Всевластия, с завидной регулярностью встречающиеся в литературе и кино. Совместно с НИТУ «МИСиС» мы постараемся ответить на вопрос, как можно сделать интересующий нас объект невидимым, — с точки зрения науки, разумеется.

Прежде чем говорить о технологиях, давайте разберемся, а как вообще мы видим предметы? В первую очередь, ничего не получится без света — электромагнитного излучения. В абсолютно темной комнате мы не сможем ни увидеть предмет, ни распознать его цвет — в лучшем случае у нас получится его нащупать. Но даже если объект находится в освещенной комнате, это еще не значит, что мы его обязательно увидим, — всем известно, как легко не заметить огромную стеклянную стену, стоящую перед нами. Ведь все, что видит наш глаз, — это свет, «испущенный», или, точнее, рассеянный или отраженный предметами. Качественное чистое стекло практически не рассеивает и не отражает свет — поэтому мы с удовольствием смотрим в окно, не задерживаясь взглядом на стеклянной преграде.

Итак, увидеть предмет можно благодаря тому, что он искажает ход лучей и световое поле, которое его окружает. Следовательно, у нас может быть три возможных подхода к невидимости. Первый — это идеальная прозрачность, когда объект сам по себе почти не искажает пути лучей света. Второй — камуфляж, когда лучи, рассеянные на объекте, совпадают с теми лучами, которые мы ожидали бы увидеть в отсутствие предмета. Третий — когда некое устройство, например наша шапка-невидимка, сама преобразовывает ход лучей света так, чтобы оно казалось не измененным. Выглядит это примерно так:

Первые два примера невидимости часто встречаются в природе. К примеру, медузы в толще воды едва заметны из-за своей прозрачности, а активной и пассивной маскировкой пользуется огромное число видов — ящерицы, насекомые, рыбы и так далее. Однако два этих способа предполагают, что скрываемый объект изначально обладает какими-то определенными свойствами. Человека с помощью прозрачности скрыть не удастся, а маскировка ему поможет лишь отчасти.

Универсальным способом создания эффекта невидимости было бы устройство, которое «восстанавливает» световое поле и словно бы заставляет лучи света огибать предмет. Для этого нам необходимы материалы, позволяющие идеально контролировать распространение света.

Видимый свет — это одна из форм электромагнитного излучения, такого же как радиоволны и рентгеновские лучи, гамма-кванты или волны в микроволновке. Подобно тому, как мы умеем управлять радиоизлучением с помощью антенн, мы также можем изменять поведение света других диапазонов. Один из самых ярких примеров абсолютного контроля над излучением — метаматериалы с отрицательным коэффициентом преломления.

Возьмем любой естественный прозрачный материал, например стекло или кварц, и направим на его поверхность луч света. В точке, где луч пересечет поверхность, мы мысленно проведем прямую, перпендикулярную поверхности. Для обычных материалов всегда верно, что луч пересечет эту прямую и продолжит распространяться примерно в том же направлении, немного отклонившись. Если взять вместо обычного материала среду с отрицательным коэффициентом преломления, луч в этой среде продолжит двигаться в другом направлении, не пересекая перпендикуляра.

Такие материалы были предсказаны советским физиком Веселаго еще в 1960-х годах как некоторый курьез, который можно описать в рамках электродинамики Максвелла. В 2000 году физикам впервые показали, что среды с отрицательным коэффициентом преломления действительно существуют — однако реализовать их можно лишь в виде метаматериалов.

В отличие от классических материалов, свойства которых определяются в основном веществом, из которого они состоят, свойства метаматериалов определяются их геометрией. Иными словами, в метаматериале можно заменить один металл на другой и его свойства почти не изменятся. Это можно пояснить на примере среды с отрицательным коэффициентом преломления.

Чтобы добиться отрицательного преломления, необходимо, чтобы отрицательными были сразу два свойства материала — диэлектрическая проницаемость и магнитная восприимчивость. Этими свойствами управляют два разных элемента структуры метаматериала. Возьмем классический пример. Эта среда выглядит как периодический массив маленьких идентичных антенн-ячеек.

За отклик к электрической составляющей световой (электромагнитной) волны отвечает фрагмент непрерывного провода, тянущегося сквозь все ячейки. За отклик к магнитной компоненте света отвечает пара С-образных антенн, вложенных друг в друга. Все они по отдельности создают отрицательную проницаемость и восприимчивость в материале.

Однако такой материал работает лишь в очень узком диапазоне длин волн, который напрямую определяется размерами и формой антенн. Чем меньше размеры антенны, тем меньше и длина волны, для которой среда имеет отрицательный коэффициент преломления. Первые подобные материалы работали лишь в микроволновом диапазоне.

Вернемся к невидимости. Одного лишь создания среды с постоянным отрицательным коэффициентом преломления, очевидно, недостаточно для того, чтобы скрыть объект от постороннего глаза. В основополагающей работе, посвященной физике невидимости, определяются требования к материалу нашей гипотетической шапки-невидимки. Возьмем для простоты некую специальную сферу, окружающую скрываемый нами предмет. Коэффициент ее преломления должен контролироваться вдоль всей поверхности сферы — с возникновением градиента значений. Лишь тогда можно добиться того, чтобы лучи огибали интересующий нас объект. Для внешнего наблюдателя будет казаться, что лучи не встречают никакого препятствия — что в этой области пространства ничего нет.

Стоит заметить, что из-за волновой природы света даже метаматериалы не смогут замаскировать любой предмет идеально. Это связанно с утверждением, доказанным Адрианом Нахманом в 1988 году: измерив амплитуду и направления распространения лучей света (с помощью специального детектора), мы можем полностью восстановить пространственный профиль коэффициента преломления среды, через которую они прошли. Теорема допускает несколько дискретных положений детектора, при котором нам будет казаться, что маскируемый объект — бесконечно тонкая пластинка, но в остальных случаях шапка-невидимка будет давать сбой.

Однако это утверждение не запрещает «почти идеальной» невидимости. Можно добиться того, чтобы отличия световой картины от света, рассеивающегося на шапке-невидимке и на пустоте, были экспоненциально малы, незаметны из-за ограниченной точности геометрической оптики.

Впервые реализовать шапку-невидимку из метаматериала, работающую в микроволновом диапазоне, удалось в 2006 году физикам из Университета Дьюка. Она представляет собой набор из десяти вложенных цилиндров, каждый из которых состоит из одинаковых ячеек-антенн. Из-за различных радиусов кривизны цилиндров возникал градиент коэффициента преломления, который и заставлял свет огибать скрытый в центре предмет.

В 2012 году та же группа исследователей усовершенствовала подход к созданию микроволновой шапки-невидимки. Новое устройство имело ромбовидную форму и эффективно отклоняло от своего центра лучи, движущиеся вдоль определенного направления. Новая геометрия позволила значительно уменьшить отражение лучей от границы воздух-метаматериал, сделав «шапку» еще невидимее.

Перечисленные материалы обеспечивали эффекты невидимости для микроволнового диапазона — излучения с частотой около 10 гигагерц и длиной волны 3 сантиметра. Чтобы перейти к оптическим диапазонам (длины волн порядка сотен нанометров) необходимо масштабировать устройство — уменьшить размер ячеек в сто тысяч раз. Тогда отдельные антенны будут иметь характерные размеры порядка ста нанометров. Изготовить такие устройства можно лишь с помощью достаточно сложных методов нанолитографии и травления сфокусированным пучком электронов.

Первые устройства, работающие в оптических частотах, были предложены в 2009 году физиками из Корнельского университета и, независимо, коллективом ученых из Калифорнийского университета в Беркли. В обоих случаях «шапка-невидимка» представляла собой специальную среду с изменяющимся коэффициентом преломления. Эта среда скрывала за собой выпуклость на зеркале, за которой мог быть спрятан микроразмерный объект — удаленному наблюдателю зеркало казалось идеально гладким.

Физики из Корнельского университета создали метаматериал в виде «леса» из наноразмерных кремниевых шипов, градиент коэффициента преломления в котором создавался разреженностью вблизи дефекта на зеркале. Устройство работало в инфракрасном диапазоне (1,550 нанометра). Во второй работе для эффекта невидимости использовалась «обратная» среда — набор периодически расположенных пор вблизи зеркала. Это устройство также работало в инфракрасном диапазоне (1400–1800 нанометров).

Позднее, в 2011 году, группа физиков из США и Германии, при участии исследователей из Калифорнийского университета добилась создания «шапки-невидимки» во всем видимом диапазоне — от красного до синего света. Успешным оказался подход с периодически расположенными порами в нитриде кремния. Как и в предыдущей работе, материал эффективно скрывал выпуклость на зеркале, за которой можно было спрятать какой-либо объект.

Собственные разработки оптических метаматериалов ведутся, в частности, в НИТУ «МИСиС». За подробностями мы обратились к заведующему лабораторией «Сверхпроводящие метаматериалы», доктору физико-математических наук, заведующему кафедрой и лабораторией экспериментальной физики Технологического института Карлсруэ, руководителю группы «Сверхпроводящие квантовые цепи» в Российском квантовом центре Алексею Устинову и доценту лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» и кафедры Теоретической физики и квантовых технологий Алексею Башарину. Вот что они нам ответили:

N + 1: Как устроены оптические метаматериалы?

Метаматериалы состоят из искусственно созданных метаатомов, которые гораздо меньше длины волны (360–760 нанометров). Поэтому, если речь идет об оптических метаматериалах, размеры метаатомов должны быть порядка 100 нанометров и меньше. Это предъявляет особые требования к нанотехнологическим процессам. Из чего же состоят метаатомы? Это могут быть металлические или диэлектрические наночастицы различной формы (сферы, диски) и их модификации и более сложные конфигурации в виде спиралей, систем колец.

Насколько сложно создать материал, работающий в оптическом диапазоне электромагнитного излучения?

Поскольку мы говорим о нанотехнологиях, то все упирается в разрешение микроскопии и средства литографии. Важно также обеспечить повторяемость при изготовлении наночастиц. Второй важной особенностью является тот факт, что включения метаматериалов должны быть высокорезонансными. Это означает, что метаатомы сильно взаимодействуют с падающим на них излучением. Однако резонансные свойства ухудшаются из-за того, что металлы на оптических частотах сильно греются — это потери. А диэлектрические не имеют таких сильных резонансных свойств, как металлические.

Существуют ли технологии, позволяющие менять коэффициент преломления в конкретной области пространства?

Речь идет о так называемой трансформационной оптике. Если создать метаповерхность таким образом, что каждой точке пространства будет соответствовать свой метаатом, со своими спектральными свойствами, то можно менять направление распространения света под тем углом, какой нам нравится.

Как идет работа с метаматериалами в НИТУ «МИСиС»?

Направление метаматерилов в НИТУ «МИСиС» развивается в лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы», и также мы обучаем метаматериалам студентов на кафедре Теоретической физики и квантовых технологий. Есть несколько направлений, которыми мы занимаемся, это классические, сверхпроводящие и квантовые метаматериалы.

Мы выполняем как теоретические, экспериментальные, так и технологические исследования. Для этого у нас построена прекрасная лаборатория с современным оборудованием. Мы развиваем направления кубитов — элементов квантового компьютера, создаем невидимые покрытия, занимаемся исследованием таких экзотических явлений, как анаполь и различные прикладные аспекты для космоса.

Стоит заметить, что метаматериалы используют не только для разработки технологии невидимости. Идеальное управление волновым фронтом света позволяет создавать плоские линзы. Для этого антенны определенным образом смещают фазу падающего на линзу света — этого оказывается достаточно, чтобы пучок впоследствии сфокусировался в точку. Недавно физики показали, что такие линзы не хуже традиционных оптических приборов.

Владимир Королёв