Так называемые шапки-невидимки на практике оказались гораздо более замысловатыми объектами, чем их описывали сказочники. Технологии маскировки предметов оказались способны спрятать что-либо не только в видимом излучении, но и в инфракрасном, ультрафиолетовом и даже для акустических волн или волн материи. Однако до сих пор учёные демонстрировали технологии, способны сделать объект невидимым лишь для одного типа волн из вышеперечисленных.

Теперь же исследователи представили первую экспериментальную демонстрацию шапки-невидимки, которая способна манипулировать сразу двумя типами физических возбуждений — электрическим током и теплом (инфракрасным светом).

Сама конструкция «шапки» выполнена из кремния и других высокотехнологичных материалов, а значит, в будущем её можно будет использовать для различного вида электроники и солнечных батарей.

Изобретение принадлежит команде физиков из Чжэцзянского университета в Китае, работающих под руководством профессоров Юньгуя Ма (Yungui Ma) и Сейлинга Хэ (Sailing He). Вместе со своими коллегами они описали технологию «мультифизической» шапки-невидимки в научной статье, которая вышла в журнале Physical Review Letters.

Как поясняют физики,

сама концепция любой шапки-невидимки довольно проста: некий объект изгибает свет или любые другие волны вокруг себя таким образом, что излучение не рассеивается, и спрятанный предмет вместе с самой «шапкой» становятся невидимыми.

С практической точки зрения смастерить такой объект непросто, поскольку он требует использования так называемых метаматериалов, которые сделаны из множества крошечных элементов, которые реагируют на физическое возбуждение очень специфическим образом.

Учёные рассказывают, что

проектирование метаматериала, способного реагировать даже на один единственный тип физического возбуждения — электромагнитные волны, например, или тепловой поток — невероятно сложный и комплексный процесс.

«Технология электромагнитной маскировки должна принимать во внимание как электрические, так и магнитные поляризации, каждая из которых имеет максимальное количество из девяти необходимых динамических элементов. В то же время тепловая маскировка основывается на явлениях анизотропной теплопроводности, теплоёмкости и плотности одновременно. Большинство предыдущих разработок сосредотачивались лишь вокруг одной группы физических явлений, создавая маскирующие технологии для одного вида физических возбуждений», — рассказывает профессор Ма.

Рис. 1.

Для разработки бифункциональной электротепловой шапки-невидимки учёные сначала расписали концепцию на бумаге, объединив несколько различных уравнений в одно. А затем по начертанной схеме физики подбирали материалы, отвечающие заданным требованиям.

В результате получилась маскирующая «шапка», состоящая из двухслойной покрывающей системы. Внутренний слой, так называемая «воздушная полость», является мощным рассеивателем, который «отражает» электрический заряд или тепловой поток. Наружный слой функционирует, противодействуя работе внутреннего, «привлекая» и концентрируя ток и тепловой поток.

Внешний слой физики сделали из кремния, который является типичным полупроводниковым материалом.

Для конструкции учёные использовали кремниевую подложку с небольшими отверстиями, которые заполнили полидиметилсилоксаном, имеющим незначительную проводимость по сравнению с кремнием.

Исследователи показали, что

оптимальное сочетание этих структурированных материалов может свести на нет возбуждения, вызываемые объектом внутри воздушной полости, в результате чего возникает эффект невидимости.

«Мы считаем, что главное достоинство нашей разработки заключается в том, что она имеет явное практическое применение в широких сферах современных технологий. Более того, новая шапка-невидимка обладает мультифункциональными характеристиками и изготовлена из доступных материалов и по относительно простой технологии», — говорит профессор Ма.

Действительно,

благодаря сочетанию двух функций в одной «шапке-невидимке», технология может иметь несколько практических применений. Например, она может обеспечить возможность регулировки прохождения электрического тока и тепла внутри электронных устройств. Также данная технология может привести к разработке электротеплового устройства, которое будет концентрировать электрический ток вдоль одной оси и маскировать тепловой поток, проходящий по перпендикулярной оси.

Рис. 2.

«Наш нынешний прототип построен на простой кремниевой пластине и использует стандартные полупроводниковые технологии. Тем не менее, он способен на высоком уровне манипулировать одновременно электрическим током и тепловым потоком. Нежелательные возбуждения электрического и теплового фона являются двумя ключевыми источниками шума, которые влияют на производительность микроэлектронных элементов, интегрированных в ежедневно используемые устройства, такие как мобильные телефоны или ноутбуки. Управление этими возбуждениями поможет повысить производительность наших привычных устройств», — поясняет профессор Ма.

К тому же, рассказывают разработчики,

представленная ими технология может быть модифицирована таким образом, чтобы она легла в основу устройства, выполняющего функции одновременно и электрической маскировки, и теплового концентратора, способного собрать энергию теплового потока. Так, новая шапка-невидимка может модернизировать солнечную энергетику в будущем.

В дальнейшем профессор Ма и его коллеги планируют продолжать работу над бифункциональными маскирующими технологиями.

Одно из основных направлений их нынешней работы — «шапка-невидимка» для электричества и магнетизма одновременно. Различные маскирующие устройства для широкого спектра физических возбуждений позволят модернизировать массу современных технологий.