Ученые впервые создали материал, делающий объекты невидимыми в трех измерениях в диапазоне длин волн света, близких к видимому.

Группа ученых из Англии и Германии добилась значительного прогресса в изготовлении плаща-невидимки. В отличие от предыдущих, уже созданных устройств подобного рода, новый плащ-невидимка работает не на какой-то определенной длине электромагнитных волн, а в целой полосе инфракрасного излучения от 1400 до 2700 нм. Более того, этот плащ может скрывать объекты не только в плоскости, как это было ранее, а в пространстве — при условии, что угол обзора спрятанного предмета не превышает 60°.

Несколько лет назад была опубликована серия теоретических работ, в которых доказывалось, что существование плаща-невидимки не противоречит никаким физическим законам. Тогда же впервые появился термин «идеальный плащ-невидимка», означающий устройство, способное делать невидимым какой-либо объект для всего диапазона электромагнитных волн вне зависимости от того, под каким углом (углом обзора) эти волны «освещают» укрываемый предмет.

Работа плаща-невидимки основана на анизотропии магнитной и диэлектрической проницаемости вещества (составляющих показатель преломления среды), из которого этот плащ изготовлен. За счет этой анизотропии электромагнитная волна при попадании в такой материал «обходит» спрятанный объект подобно тому, как поток воды обтекает камень, а затем восстанавливает свои первоначальное направление и свойства. В итоге стороннему наблюдателю, который принимает электромагнитное излучение, кажется, что в процессе распространения волна никаких препятствий на своем пути не встречала.

В 2006 году на основе метаматериалов (искусственных веществ, обладающих требуемой неоднородностью показателя преломления) был сделан первый шаг к изготовлению идеального плаща-невидимки. Американские ученые из Университета Дьюка сконструировали устройство, делающее предмет невидимым для монохроматического микроволнового излучения (8,5 ГГц). Метаматериал, из которого был создан первый плащ, представлял собой массив крошечных (порядка длины волны микроволнового излучения) резонансных контуров с разрезами — так называемых split-ring систем.

Созданные впоследствии другие плащи-невидимки, так же как и первый, имели два существенных недостатка: они делали объект невидимым лишь на какой-то определенной длине волны и были двумерными, то есть эффект невидимости достигался только на плоскости. Если взглянуть на укрываемый объект из третьего измерения, то плащ-невидимка перестает работать, и предмет легко может быть обнаружен. Поэтому сейчас ученые сосредоточились на решении этих двух задач:

1. добиться невидимости не на плоскости, а в пространстве, то есть реализовать трехмерный плащ-невидимку;
2. научиться получать невидимость для как можно более широкой полосы частот электромагнитного излучения, продвигаясь при этом в область оптического диапазона.

Рис. 1. Схематический чертеж трехмерного плаща-невидимки, изготовленного из фотонного кристалла (его структура показана бело-серым цветом). Кристалл представляет собой «пучок» микроскопических стержней, свободное пространство между которыми частично заполнено специальным полимером. Такая композиция стержней и полимера дает анизотропию показателя преломления — необходимое и очень важное условие для работы плаща-невидимки (см. ниже рис. 3). Геометрия устройства напоминает «ковер» длиной 90 мкм, шириной 30 мкм и толщиной 10 мкм. Тестирование плаща ученые проводили, накрывая им золотую пластину (показана желтым цветом) толщиной 150 нм. Укрываемым объектом был выступ на золотой пластине в форме арки, высотой 1 мкм и шириной 13 мкм. При облучении такой системы неполяризованным инфракрасным светом (играющим роль «посторонних глаз») эффект невидимости достигался для полосы излучения от 1400 до 2700 нм. Красный конус показывает, что угол обзора, для которого сохраняется невидимость выступа, не должен превышать 60° (в пределах данного конуса выступ остается невидимым). Для лучшего восприятия геометрии выступа авторы статьи представили картинку вверх ногами, то есть источник инфракрасного излучения находится внизу. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Работа Three-Dimensional Invisibility Cloak at Optical Wavelengths, появившаяся на днях в журнале Science, — новый шаг к реализации идеального плаща-невидимки. Ее авторы, группа ученых из Англии и Германии, фактически преодолели описанные выше проблемы, создав трехмерный плащ-невидимку, работающий не на какой-то определенной длине волны, а в целой полосе инфракрасного излучения — от 1400 до 2700 нм.

В качестве метаматериала для изготовления трехмерного плаща использовался фотонный кристалл — кристаллическая структура со строго периодическим (порядка длины оптической волны) изменением величины диэлектрической и магнитной проницаемости. Кристалл представлял собой «пучок» микроскопических стержней, свободное пространство между которыми частично заполнялось специальным полимером. Такие ухищрения со структурой плаща создавали необходимую анизотропию показателя преломления (см. ниже рис. 3). Форма плаща больше напоминает не сферическую оболочку, а «ковер» (как его назвали ученые) длиной 90 мкм, шириной 30 мкм и толщиной 10 мкм. Такая миниатюрность конструкции обусловлена исключительно трудоемкостью процесса изготовления: для синтеза фотонного кристалла такого размера исследователи затратили приблизительно 3 часа.

Чтобы протестировать работоспособность изготовленного плаща-невидимки, ученые накрыли им золотую пластину толщиной 150 нм. Посредине пластины авторы статьи сделали выступ, имеющий форму арки высотой 1 мкм и шириной 13 мкм (рис. 1) — с его помощью и проверялся эффект невидимости. Облучая «ковер» неполяризованным инфракрасным светом, ученые фиксировали пространственное распределение интенсивности немонохроматического инфракрасного излучения, отраженного от золотой пластины, в случае когда она не укрыта и когда укрыта плащом-невидимкой.

Рис. 2. Пространственное распределение интенсивности отраженного от золотой пластины инфракрасного света (длина волны показана по оси ординат слева), когда она не укрыта (A) плащом-невидимкой и когда укрыта (B). Наличие выступа на пластине (при отсутствии плаща) приводит к неоднородному рассеянию падающего излучения, что порождает неравномерное распределение отраженного инфракрасного света (шкала распределения интенсивности показана на оси ординат справа). В итоге на рис. A явно просматривается выпуклость. Во втором случае, когда золотая пластина укрыта плащом, наблюдается равномерное распределение отраженного инфракрасного света. Это означает, что излучение не видит выступа на пластине. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

В первом случае (в отсутствие плаща-невидимки), из-за того, что пластина имела выпуклость, интенсивность отраженного света распределялась неравномерно (рис. 2A). Собственно, эта неравномерность и выдавала наличие выступа на пластине.

Во втором случае, когда пластина расположена под «ковром», никаких неоднородностей в распределении интенсивности отраженного света не наблюдается (рис. 2B). Происходит это благодаря анизотропии показателя преломления фотонного кристалла. Этот показатель меняется так (рис. 3), что по мере продвижения вглубь кристалла инфракрасные лучи всё сильнее отклоняются влево и вправо от своего первоначального направления. В итоге область, которая находится под выступом (в реальности — над выступом, поскольку изображение перевернуто) с наибольшим показателем преломления, становится недоступной для инфракрасного света. Лучи просто обходят эту область и тем самым не попадают на выступ. Далее отклоненные лучи отражаются от ровной поверхности золотой пластины и тем же образом идут назад, создавая в итоге иллюзию невидимости выступа. Таким образом, получается, что арка становится невидимой для излучения данного (инфракрасного) диапазона, а значит, плащ-невидимка прекрасно справляется со своей работой.

Рис. 3. Распределение показателя преломления в фотонном кристалле. Стрелкой показан выступ на золотой пластине, скрываемый от источника инфракрасного излучения (находится внизу). Картинка специально перевернута. По мере продвижения вглубь плаща-невидимки лучи инфракрасного света всё сильнее отклоняются от своего первоначального направления влево и вправо, поскольку распространяются из оптически менее плотной среды (с меньшим показателем преломления) в оптически более плотную (с большим показателем преломления). Такая анизотропия показателя преломления приводит к тому, что излучение не достигает выпуклости — для него она становится невидимой. Далее отклоненные лучи отражаются от ровной поверхности золотой пластины и тем же образом идут назад, создавая иллюзию невидимости выступа. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Как оказалось, свойством невидимости обсуждаемое устройство обладает не для всей полосы инфракрасного света, а лишь в интервале от 1400 до 2700 нм. Кроме того, заявленная авторами трехмерность плаща выполняется при условии, что угол обзора выступа на золотой пластине не превышает 60° (именно это и показано в виде красного конуса на рис. 1; конус соответствует области, в которой сохраняется невидимость выпуклости).

Несмотря на это хотелось бы ещё раз подчеркнуть важность описанной здесь работы: во-первых, впервые плащ-невидимка мог скрывать объект не для какой-то заданной длины волны электромагнитного излучения, а для целого диапазона, еще и находящегося в непосредственной близи от световых волн. Во-вторых, ученые также впервые научились прятать предмет не на плоскости, а в пространстве, пусть и с ограниченным углом обзора.

Более того, работа английских и немецких исследователей показала, что нет никаких ограничений для создания плаща-невидимки больших размеров: всё упирается в скорость изготовления метаматериалов (в данном случае — фотонных кристаллов). Поэтому совершенствование нанотехнологических процессов синтеза метаматериалов может привести к появлению плаща-невидимки с более продвинутыми характеристиками — в частности, с возможностью прятать предметы в видимом диапазоне электромагнитного излучения и с увеличенным углом обзора скрываемого объекта.

Юрий Ерин