То, что сейчас обещают метаматериалы – материалы с отрицательным показателем преломления, ещё несколько лет назад казалось фантастикой. Достаточно упомянуть шапку-невидимку – мечту шпиона с незапамятных времён. Неудивительно, если работы в этой области когда-нибудь удостоятся Нобелевской премии. Но это будет конец истории, а она только начинается. Журнал New Scientist предлагает посмотреть, как это происходит.

Одним из инициаторов разработки первых метаматериалов был советский физик Виктор Георгиевич Веселаго. Ещё в 1967 году он предсказал возможность создания материалов с отрицательным показателем преломления, свет в которых должен преломляться в «неправильном» направлении.

У всех известных в природе веществ показатель преломления положителен. Представим себе пруд с водой. Дно водоёма кажется гораздо ближе, чем на самом деле, стоящему на суше наблюдателю глубокий пруд представляется мелким – именно за счёт относительно высокого показателя преломления воды. Если бы его величина была ещё больше, погруженные в пруд объекты казались бы находящимися еще ближе к поверхности. Но если бы мы могли запустить рыбу в водоём, наполненный вместо воды жидкостью с отрицательным показателем преломления, то увидели бы рыбу, парящую над поверхностью пруда.

Веселаго достаточно сложным образом доказал, что отрицательное отражение возможно. Свет, который, как известно, представляет собой электромагнитные волны, состоит из электрической и магнитной составляющих. Распространение света выглядит как попеременное возмущение то электрического, то магнитного поля – они поочерёдно «толкают» друг друга вперёд. Собственные электрические и магнитные поля атомов вещества с положительным показателем преломления – воды, стекла, любого другого прозрачного материала – взаимодействуют с электромагнитной волной, замедляя её продвижение.

Виктор Георгиевич предположил, что существуют материалы, в которых собственные возмущения электрического и магнитного полей будут двигаться навстречу световым волнам, обращая их вспять. Именно так должно проявиться явление отрицательного преломления. Гипотеза Веселаго стала реальностью только с появлением метаматериалов.

На пути к метаматериалам

Споры о том, может ли внутренняя структура материала повлиять на распространение света в нём, шли ещё с XIX века – с того самого времени, когда Джеймс Максвелл доказал, что свет, магнетизм и электричество представляют собой проявления одного и того же физического взаимодействия.

Но лишь к концу 1990-х годов стало ясно, что правильным образом устроенная структура вещества способна радикально изменить его свойства.

В это время я участвовал в экспериментах компании GEC-Marconi с конструкциями из незамкнутых колец. Их изготавливали методом травления по медной пластинке, получая множество колец – каждое всего в несколько миллиметров шириной. Радиосигналы вызывали в такой системе электрические токи, в свою очередь индуцировавшие магнитное поле. Однако у экспериментальной конструкции обнаружилось ещё одно любопытное свойство.

В большинстве магнитных материалов индуцированное магнитное поле соответствует приложенному – так, стрелка компаса указывает на север в соответствии с магнитным полем Земли. В новом же материале индуцированное магнитное поле, напротив, оказалось противоположным приложенному.

В 2000 году Дэвид Смит, тогда работавший в Калифорнийском университете в Сан-Диего (США), собрал эту самую систему из незамкнутых колец и на её основе создал первый метаматериал, способный преломлять излучение в противоположном направлении по сравнению с обычными материалами – стеклом, например. Это и было явление отрицательного преломления, давным-давно предсказанное Виктором Веселаго.

За прошедшие 10 лет появилось множество метаматериалов со сложнейшей структурой и самыми удивительными свойствами. В качестве примера можно привести структуры, собранные из тончайших золотых спиралек в Технологическом институте Карлсруэ (Германия) группой Мартина Вегенера.

Альберт Эйнштейн вывел формулу, связывающую искривление пространства с изменением эффективного показателя преломления. Она представляет собой преобразование уравнений Максвелла – основополагающих для всех электромагнитных явлений. В 1919 году, наблюдая солнечное затмение, астрономы доказали, что Солнце служит своего рода гигантской линзой – вблизи диска нашего светила искривляется свет далеких звёзд. Это наблюдение стало триумфальным подтверждением общей теории относительности Эйнштейна: гравитационное поле Солнца действительно искривляет пространство. В определённом смысле можно сказать, что вблизи Солнца есть область с высоким показателем преломления. Цель изысканий трансформационной оптики – взять луч света и исказить его путь желаемым образом. Это можно сделать с помощью сверхмассивных объектов, но на самом деле благодаря Эйнштейну есть путь попроще – достаточно воспользоваться материалом, где особым образом варьируется показатель преломления. В рамках трансформационной оптики легко вычислить, в соответствии с каким математическим законом это должно происходить. А дальше – просто создать материал с заданными характеристиками.

История метаматериалов

В определённой степени действие материала на падающий на него свет определяется химическим составом вещества. Однако его внутренняя структура способна оказать на свет ещё большее воздействие. Так, посеребрённые зеркала прекрасно отражают свет, однако нецветные фотографии – тоже обязанные своей чернотой серебру (которое содержится в фотопленке) – кажутся чёрными. Это происходит потому, что размеры частиц серебра во втором случае намного меньше длины световых волн.
Характеристики метаматериалов также определяются не их химическими свойствами, а специально созданной структурой. Для видимого света порядок структуры должен быть нанометровым, для микроволнового излучения – миллиметровым.
В последние 10 лет метаматериалы переживают настоящий расцвет. Спектр их возможностей ограничивается только нашим воображением. Уже созданы материалы и устройства со свойствами, которые ранее казались невероятными, – например, никогда не наблюдавшееся в природе отрицательное преломление, или эффект шапки-невидимки.

Трансформационная оптика

В обычных материалах свет распространяется по прямой до тех пор, пока не достигнет границы раздела между двумя прозрачными материалами. На ней он резко меняет направление. Метаматериалы устроены сложнее. В них можно заставить свет двигаться вдоль кривой, что сразу открывает перспективу создания таких устройств, как шапки-невидимки. Математический аппарат, с помощью которого можно предсказать, какой тип метаматерилов поведет свет по заданному пути, называется трансформационной оптикой.

Шапка-невидимка

Идея шапки-невидимки, или волшебного кольца, делающего своего владельца незримым для чужих глаз, уже не первое столетие кочует из сказки в сказку. Однако только сейчас, с появлением трансформационной оптики и метаматериалов, такие мечты начали сбываться.

У шапки-невидимки должны быть два важных свойства. Во-первых, она не должна отражать свет сама и не допускать, чтобы он отражался от объекта под ней. Это в принципе легко – для видимой области спектра достаточно ведра чёрной краски (или его эквивалента – для радиоволн).

Во-вторых, надо как-то избавиться от тени – и это уже гораздо сложнее. Свет должен миновать объект, точно пустое место, – вот эту-то задачу и решает трансформационная оптика.

Мы привыкли считать, что свет всегда распространяется от источника по прямой – представим жёсткий негнущийся шест, служащий направляющей для света. Теперь допустим, что этот шест не такой уж негнущийся: он огибает объект, который мы хотим спрятать, и таким образом луч вообще не столкнётся с объектом. Наблюдатель, представляющий луч света прямым, будет обманут. С помощью метаматериалов можно заставить свет «обтекать» объект, как вода обтекает камни на дне ручья, – лучи будут снова сходиться за объектом, не оставляя и следа от его присутствия.

Подобные явления, когда свет распространяется по кривой, обманывая наблюдателя, можно встретить и в природе. В течение дня солнце раскаляет песок в пустыне – и воздух над песком нагревается вместе с ним. У нагретого воздуха меньше плотность и меньше показатель преломления. Чем дальше от земли, тем воздух холоднее и показатель преломления больше – таким образом создаётся градиент с постепенным изменением показателя преломления. В результате солнечный свет может искривиться настолько, что наблюдатель видит на песке нечто, совершенно не напоминающее пустыню: пятачок, в котором «отражается» небо, – он очень напоминает лужу воды или целое озеро. Представьте только разочарование усталого путника, устремившегося к этому иллюзорному оазису!

Итак, создание шапки-невидимки можно свести к разработке некоего покрытия с нужным градиентом показателя преломления, искажающего свет точно так, как надо. Как именно должно быть устроено такое покрытие, должна рассчитать трансформационная оптика.

Разумеется, изготовление настоящей шапки-невидимки – дело нелёгкое, особенно в видимой области спектра, закономерно привлекающей наибольший интерес. Но в области радиоволн учёным и инженерам уже удалось достичь существенных успехов.
Кое-что получилось и с видимым светом – правда, шапки-невидимки пока работают в очень узком диапазоне внутри видимой области спектра