Игры со светом

Плоские линзы, плащи-невидимки для микросхем и боевых самолетов, сверхчувствительные датчики света, способные улавливать одиночные частицы света, «вечная» квантовая память и лекарства от рака, защищающие здоровые клетки от последствий облучения, — все это может стать реальностью в ближайшие годы благодаря новым открытиям российских и зарубежных физиков.

В последние годы ученые активно изучают свойства так называемых метаматериалов — искусственных структур из множества отдельных кусочков или наночастиц, способных необычным образом взаимодействовать со светом. Эти необычные взаимодействия возникают благодаря тому, что размеры, диэлектрические и магнитные свойства этих «кубиков» метаматериала подобраны таким образом, что волны света начинают взаимодействовать с ними, что позволяет контролировать их движение и менять их так, как это не позволяют делать классические оптические приборы.

Существование подобных материалов еще в 1967 году предсказал советский физик Виктор Веселаго, предположивший, что можно создать искусственную среду, коэффициент преломления которой будет отрицательным. Это в принципе позволяет создавать различные структуры, делающие объекты невидимыми для глаз и радаров, абсолютно «плоские» линзы, световоды, в которых свет «замораживается» или часть световой волны движется с «мгновенной» скоростью, а также экзотические магнитные «кротовые норы».

Кстати, строго говоря, метаматериалы не являются изобретением человека — похожие на них кристаллы и структуры встречаются на крыльях многих бабочек «металлической» окраски, на панцирях многих других насекомых, крыльях птиц и даже в знаменитых синих складках на мордах павианов-мандрилов.

Как показывают опыты последних десяти лет, метаматериалы можно настроить таким образом, что они начнут взаимодействовать не только со светом и его ближайшими «кузенами» — тепловым, рентгеновским или ультрафиолетовым излучениями, но и с магнитными полями, а также смогут порождать любопытные квантовые эффекты, которые физики называют «кристаллами времени».

С вопросом о том, как сегодня российские физики изучают «обычные» и квантовые метаматериалы и какое применение этим материалам может быть найдено уже в ближайшее время, мы обратились к Алексею Устинову, заведующему лабораторией сверхпроводящих метаматериалов НИТУ «МИСиС», и его коллеге Алексею Башарину.

Примерно четыре года назад, Алексей Устинов и его коллеги из университета Карлсруэ создали еще один необычный метаматериал, который одновременно интересен и для ученых, занимающихся квантовыми вычислениями, и для специалистов в области «обычных» метаматериалов, взаимодействующих со светом. 

Речь идет о так называемых квантовых метаматериалах — особом подвиде подобных материалов, где движением света или других типов волн управляют законы квантовой механики. Их существование было предсказано в 2007 году Александром Рахмановым из Института теоретической и прикладной электродинамики РАН в Москве и советско-канадским физиком Александром Загоскиным, работающим сегодня в НИТУ «МИСиС» в рамках проекта «Коллективные явления в квантовой материи».

Первый подобный материал представлял собой набор из двух десятков сверхпроводящих кубитов, элементарных вычислительных модулей квантовых компьютеров, выстроенных в линию и расположенных на примерно равном расстоянии друг от друга. Как обнаружили Устинов и его коллеги, если подобные кубиты связаны друг с другом и находятся внутри специального микроволнового резонатора, то тогда свет, проходящий рядом с ними, будет особым образом менять свою фазу, по сути «записывая» в себе то, что происходит внутри сверхпроводящих ячеек памяти. Кубиты в данном случае играют роль своеобразных искусственных атомов, с которыми взаимодействуют частицы света, подчиняясь законам квантовой механики, описывающим подобные процессы.

Создание подобного метаматериала породило неподдельный интерес со стороны научного сообщества, и за последующие три года физики из России и других стран создали множество как новых квантовых метаматериалов на базе сверхпроводников, так и оптических ловушек и других типов кубитов и предложили несколько интересных вариантов их применения на практике.

К примеру, в НИТУ «МИСиС» уже пять лет работает возглавляемая Устиновым лаборатория, одной из главных задач которой является создание подобных метаматериалов и их использование в изучении секретов квантового мира, необходимых для создания полноценных универсальных квантовых компьютеров.

«Мы понимали, что реализуем новую хорошую идею, но мы не думали о пиар-стороне этого вопроса. Данное направление быстро сформировалось в новую область квантовых технологий, где еще много интересного ждет своей реализации. Мы застолбили ее первыми, и хочется использовать уже созданный нами задел», — отмечает Устинов.

С чем связан этот интерес? Во-первых, Александр Загоскин и многие другие физики считают, что квантовые метаматериалы можно использовать в качестве дешевой, но не совсем полной замены для некоторых частей универсальных квантовых вычислителей. Подобные наборы кубитов помогут ученым понять, как решить инженерные проблемы, препятствующие созданию полноценных квантовых компьютеров из нескольких десятков и сотен кубитов, и как найти более простые и дешевые методы их соединения друг с другом.

Во-вторых, сама квантовая природа этих метаматериалов позволяет использовать их для решения многих сложных задач, связанных с манипуляцией светом, с которыми не могут справиться обычные метаматериалы.

К примеру, подобные материалы можно использовать в качестве основы для сверхчувствительных датчиков света и определенных видов излучения, способных работать в самых зашумленных условиях. Это позволит использовать подобные метаматериалы для создания мощнейших телескопов и новых типов систем передачи и обработки информации через оптоволоконные сети.

Большим плюсом этого варианта использования квантовых метаматериалов будет то, что они будут лишены главного недостатка своих «обычных» кузенов, в теории способных решать те же задачи, — их структуру можно будет быстро и гибко менять во время работы, не пересобирая или не создавая заново устройство, как это приходится делать сегодня.

«Эти метаматериалы можно использовать для создания квантовой памяти, генерации квантовых микроволновых пакетов и разработки детекторов одиночных фотонов. Но способы применения — пока не самоцель для нас, есть еще много неисследованных фундаментальных проблем, связанных с квантовыми метаматериалами», — подчеркивает Устинов.

По его словам, аналоги квантовых метаматериалов могут существовать в природе, и дальнейшее изучение свойств искусственных структур такого рода, разработанных в лабораториях, поможет нам понять их свойства и выяснить, какую роль они играют в жизни флоры и фауны.

«Мы занимаемся разработкой не только квантовых метаматериалов, но и их обычных аналогов, которые интересны для создания стелс-технологий. Мы создаем материалы, которые организованы таким образом, что в них возбуждаются специальные поля, которые переводят падающую на них волну дальше в пространство. Это делает их невидимыми для электромагнитных волн», — добавляет Алексей Башарин, сотрудник лаборатории Устинова в НИТУ «МИСиС».

Помимо «прозрачных» метаматериалов, Башарин и его коллеги создают их «переключаемые» версии, которые могут не только пропускать через себя свет, но и поглощать его, что заметно расширяет их применение, а также материалы, которые свет или другие волны будут огибать.

Сейчас физики из НИТУ МИСиС работают над созданием наночастиц, которые могли бы делать определенные молекулы или живые клетки недоступными для определенных типов излучений. Подобные структуры, как считает ученый, могли бы защищать здоровые клетки от гибели при уничтожении рака с помощью рентгеновских или гамма-лучей, а также могли бы предотвращать взаимодействие света с определенными молекулами, распадающимися при контакте с фотонами высоких энергий.

По словам Башарина, квантовые метаматериалы вряд ли когда-нибудь станут основой для стелс-технологий — как выражается физик, «их придется засунуть в холодильник, чтобы они начали работать». Так что на практике обычные метаматериалы еще долго будут соседствовать со своими квантовыми собратьями.

Александр Телишев