Физики представили устройство, делающее предметы невидимыми

Физики Елена Семушкина и Сян Чжан из Мичиганского университета (США) представили созданное ими устройство, способное полностью скрыть спрятанный под ним объект от глаз постороннего наблюдателя. Это первый вариант плаща-невидимки, который работает в диапазоне видимого света. Похоже, фантазии Герберта Уэллса начинают воплощаться в жизнь.

Фото: Фото: AP

Идея создания устройства, аналогичное сказочной шапке или плащу-невидимке, возникла достаточно давно. Однако только в начале нынешнего века она получила серьезное теоретическое обоснование со стороны физиков, занимающихся оптическими свойствами различных материалов. Когда эти идеи стали реализовывать на практике, сразу же возникли "незапланированные" трудности.

Вообще, почетным "родителем" современной версии плаща-невидимки является британский физик сэр Джон Пендри, из лондонского Имперского колледжа (кстати, удостоенный рыцарского звания именно за эти разработки). Он построил модель, согласно которой структура, делающая находящийся под ней объект невидимым, должна состоять из так называемых метаматериалов. Этим термином называют созданные человеком субстанции, свойства которых обусловлены не столько индивидуальными физическими характеристиками их компонентов, сколько микроструктурой последних. Данный термин особенно часто применяют по отношению к тем композитам, которые демонстрируют свойства, не характерные для объектов, встречающихся в природе.

Читайте также: Ковер и зонтик сделают нас невидимыми

Использовав расчеты американских ученых Андреа Алу и Надера Ингете из Университета Пенсильвании (США), Пендри предположил, что данное качество должно присутствовать у таких метаматериалов, в состав которых входит как проводник электричества (металл), так и диэлектрик. Он исходил из всем известного факта: на границе двух сред любые волны могут либо отражаться, либо преломляться, а внутри среды — поглощаться или проходить сквозь нее.

Ученый рассмотрел такой вариант — предположим, у нас имеется идеальный проводник сферической формы, окруженный слоем диэлектрика с нулевым поглощением. В таком случае, если диэлектрическая проницаемость внешнего слоя меньше единицы или вообще отрицательна, то оптический размер всей конструкции уменьшится, то есть она не только станет невидимой для постороннего наблюдателя, но и скроет от его взгляда предмет, находящийся под ней.

Дело оставалось за маленьким — создать подобный метаматериал, который был бы одновременно и проводником, и изолятором. В 2006 году эта проблема была, вроде бы, решена и идея воплотилась в жизнь в виде конструкции, представляющей собой прозрачный изолятор (вроде стекла), в который были равномерно вкраплены мельчайшие металлические опилки. С этого времени начались опыты по созданию плаща-невидимки на основе данного материала.

Однако здесь ученых ждало некоторое разочарование, поскольку устройство действительно тщательно маскировало объект, делая его полностью невидимым, но… только в диапазоне инфракрасного излучения. В той части спектра, которая называется областью видимого света (собственно говоря, он и служит для нас носителем информации), данная шапка-невидимка работать отказывалась. Долгое время физики не понимали, почему это происходит. И вот недавно, похоже, эта загадка была разгадана и параллельно предложен принципиально новый вариант маскирующего устройства.

Фото: AP

Профессор Елена Семушкина из Мичиганского университета (США) и ее коллега Сян Чжан после серии исследований пришли к выводу, что все дело в металлической составляющей. Именно ее строение (а, как мы помним, структуру металла можно представить в виде решетки, в узлах которой сидят ионы, а между ними свободно дрейфуют электроны) не позволяет отражать световые волны в нужном направлении, то есть как бы в обход поверхности, чтобы преломленная волна плавно обтекала этот плащ, а не отражалась от него под углом, видным наблюдателю, и не поглощала его.

Исходя из этого предположения, ученые решили обратиться к другому типу метаматериалов, которые целиком и полностью состоят из диэлектриков. Их внимание привлекла работа группы физиков из Бирмингема, которые считали, что "тканью" для плащей-невидимок должны стать так называемые одноосные кристаллы. Напомню, что под этим термином подразумеваются структуры, для которых характерно двойное лучепреломление при всех направлениях падающего на них света, кроме одного (это направление называется оптической осью кристалла). Проще говоря, такой кристалл, если на него попадает луч света, расщепляет его на два слагающих его пучка света, которые распространяются с разными скоростями и поляризованы в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. То есть, получается именно то, что надо, — свет направляется в обход покрытия и делает его и маскируемый им предмет невидимыми для наблюдателя.

В конце концов физикам удалось создать материал с переменным показателем преломления, представляющий собой одноосный кристалл нитрида кремния, который был помещен на прозрачную нанопористую подложку оксида того же кремния. Последняя имела меньший показатель преломления, чем внешний кристаллический элемент, называемый волноводом. Потом ученые проделали ряд отверстий нанометрового диаметра в кристалле нитрида кремния. Именно это и позволило данному материалу приобрести свойства плаща-невидимки.

В результате получилось устройство, представляющее собой гладкое оптическое зеркало, которое скрывает полностью объект в видимом диапазоне длин волн (то есть трехмерный плащ-невидимка). Эксперименты показали, что уже сейчас этот плащ может эффективно скрывать от глаз наблюдателя достаточно большие (с точки зрения физика, разумеется) объекты, размер которых составляет от 300 нм на 6 мкм. Но, по заверению ученых, это совсем не предел.

"Наше защитное покрытие работает следующим образом: если объект накрыть специальным материалом, который внешне выглядит как обычное зеркало, то сквозь него не будет видно сам объект, находящийся внизу. Внешний наблюдатель и не предполагает, что под зеркалом что-то находится", — так прокомментировал результаты работы на страницах издания PhysOrg один из авторов исследования, профессор Сян Чжан. Он также подчеркнул, что данный плащ-невидимка является лишь одним представителем из группы устройств, которые можно создать с помощью данных метаматериалов. По его словам, в дальнейшем на этой основе можно разрабатывать приборы, создающие другие оптические иллюзии. Например, "миражи", то есть изображения, не соответствующие реальному виду объекта или находящиеся не в том месте, где расположен сам объект.

Читайте также: Ученые создали свет из "ничего"

Ну, а пока ученые планируют усовершенствовать свой плащ-невидимку и добиться того, чтобы под ним можно было прятать более крупные объекты. Уверен, что у них это получится — не зря же говорят, что если русский объединится с китайцем, то вдвоем они могут свернуть горы. Или, по крайней мере, создать шапку-невидимку. Правда, при условии, что финансировать их работу будут американцы…