Метаматериалы с отрицательным коэффициентом преломления известны давно, однако исследователи из Израильского технологического института отважились на весьма неожиданное их использование — для создания отрицательного светового давления.

Максвелл предсказал световое давление в позапрошлом веке, а Лебедев доказал его наличие на практике в начале прошлого столетия. Мордехай (Моти) Сегев, похоже, решил пойти несколько дальше (сразу заметим: его подход не имеет ничего общего с нашумевшей «антигравитационной» историей имени г-на Подклетнова).

Израильский физик предположил, что материалы с отрицательным коэффициентом преломления должны, исходя их известных законов физики и оптики, оказывать световое давление, которое при некоторых обстоятельствах должно быть отрицательным, то есть не отталкивать тела, а притягивать их.

Как известно, в материалах с отрицательным коэффициентом преломления групповая и фазовая скорости электромагнитных волн могут иметь разные направления. Так вот, как отмечает г-н Сегев, групповая скорость волн характеризует энергию световой волны, а фазовая — воздействие волны света на встречаемые ею частицы.

Если эти две скорости разнонаправленны, то эффект отрицательного светового давления вполне может иметь место.

Казалось бы, большинство нынешних метаматериалов твёрдые, да ещё и содержат металлы, что исключает возможность создания отрицательного светового давления. Но Мордехай Сегев предположил, что если очень хочется, то всё-таки можно попробовать обойти это препятствие.

Рис. 1. Материалы с двойным лучепреломлением широко распространены, тот же кальцит. На их основе и до притягивающего луча недалеко, полагает г-н Сегев. (Фото alanymchan).

Для этого можно использовать материалы с двойным лучепреломлением. В кристаллах вроде кварца и кальцита оно происходит вполне естественным путём: интенсивность преломления зависит от того, под каким углом свет входит в кристалл. Если вы положите такой кристалл на газету, изображение её страницы внезапно раздвоится. Сочетание ряда слоёв кристаллов с двойным лучепреломлением со специальными микрозеркалами позволяет получить волновод, в котором групповая и фазовая скорости направлены прямо противоположно.

Что особенно важно, между слоями кристаллов в таком волноводе можно оставить зазор, в который будут втягиваться частички захватываемого материала.

Применение? Дайте научному миру отдышаться: идея отрицательного светового давления слишком радикальна, чтобы успеть предложить все возможные области использования подобного метаматериала.

Сам г-н Сегев говорит о создании на этой базе продвинутых оптических пинцетов, способных притягивать к себе нужный элемент клетки, ткани или иные микро- и нанообъекты.

Сейчас, чтобы исследуемый или передвигаемый оптическим пинцетом объект был неподвижен, необходимо компенсировать силу, вызванную давлением света. Это можно сделать за счёт двух встречных пучков света, которые толкают объект в противоположных направлениях, или с помощью сильно сфокусированного гауссова пучка (с высокой числовой апертурой), чтобы компенсировать давление света высокой градиентной силой. Теперь все эти ухищрения ни к чему: оптический пинцет может притягивать к себе любой объект без необходимости удерживать его или использовать сфокусированный гауссов пучок (что во многих средах невозможно).

Рис. 2. Оптические пинцеты кажутся физику-теоретику первой потенциальной сферой применения новых метаматериалов. (Фото ANU).

Применений на самом деле может быть очень много. Если концепция Мордехая Сегева верна, то можно использовать вместо обычного инвертированный солнечный парус: не отталкивать космический корабль курсом от Солнца за счёт светового давления, а притягивать его при помощи установленного на носу лазера. Собственно говоря, тогда можно будет и к малым астероидам не летать, а подтягивать их лучом с земной орбиты. Да мало ли найдётся областей!

Впрочем, чтобы поверить в эту экстраординарную идею, хотелось бы увидеть нового Лебедева, который подтвердит невероятное предположение г-на Сегева. Хочется вслед за Уильямом Томсоном воскликнуть:

«Я всю жизнь воевал с Максвеллом, не признавая его светового давления, и вот… Лебедев заставил меня сдаться перед его опытами».

Кстати, израильский физик обещает, что за экспериментом, подтверждающим его экстравагантную теорию, дело не станет.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Optics Express.