Новые материалы позволят видеть сквозь стены

Видение сквозь стены с помощью терагерцевых лучей — не новость. Но до сих пор развитие этой технологии сдерживалось отсутствием материалов, способных работать с этими лучами так же, как линзы или зеркала взаимодействуют с лучами обычными. В природе таких веществ нет. Группа учёных из университета Калифорнии (University of California) в кооперации с исследователями из ряда научных учреждений США и Британии разработала новый класс искусственных материалов, которые демонстрируют сильный магнитный отклик на излучение терагерцевого диапазона.

Этот диапазон лежит между инфракрасным и микроволновым спектром и вплоть до последних лет был "terra incognita". Ведь для обычных лазеров такие частоты излучения слишком низки, а для микроволновых устройств — слишком высоки.

Лишь в последние несколько лет учёным удалось получить терагерцевые источники излучения. Для этого пришлось скомбинировать последние достижения сразу в нескольких областях: полупроводники, лазеры с очень высокой частотой следования сверхкоротких (например, фемтосекундных) импульсов, ускорители частиц и так далее.

Выяснилось, что терагерцевые лучи сочетают высокую проникающую способность, подобную таковой у радиоизлучения, с удобством фокусировки, сходным со световыми лучами. Сразу обозначились сферы применения новой технологии: метеорология и океанография, радары с новыми свойствами, всепогодная навигация, дистанционное обнаружение оружия под одеждой, проверка качества деталей, наконец — медицина, где безопасные для организма терагерцевые волны могут составить мощную конкуренцию рентгену.

При этом изображение, полученное в терагерцевых лучах отличается высокой контрастностью, даже когда составные части просвечиваемого предмета имеют близкую плотность. Однако в регистрации этих волн долго не было должного прорыва. Слишком дороги были новые технологии, слишком сложно было подбирать материалы, хотя бы в слабой мере реагирующие на терагерцевое излучение.

В 1996 году британский физик Джон Пендри (John Pendry) предположил, что микроскопические детали из металла определённой формы могут иметь уникальные ответы на электрический и магнитные поля. С этой теории начались работы, завершившиеся созданием целого ряда так называемых метаматериалов.

Приставка "мета" в данном случае подчёркивает, что эти композитные материалы в целом обладают электромагнитными свойствами, не присущими ни одному из составных элементов.

Материал, разработанный калифорнийскими исследователями, состоит из кварцевой пластины, на которую нанесено множество шаблонных медных элементов, названных разрезными кольцевыми резонаторами. Каждый из них составлен из двух концентрических медных квадратов. В свою очередь, все квадраты имеют в своём периметре микроскопический разрыв.

При этом разрыв в большем квадрате находится на противоположной стороне по отношению к разрыву в меньшем квадрате. Ширина одного резонатора — примерно 50 микронов, меньше чем толщина человеческого волоса.

Медные элементы, составляющие метаматериал, походят на атомы в кристаллической решётке. И в то время, как медь сама по себе не является магнитной, геометрия резонатора приводит к эффективному магнитному отклику, так что всё соединение может быть охарактеризовано, как магнитное.

При этом оказалось, что при расположении резонаторов не на плоской, а на сложной поверхности, похожей, скажем, на соты, можно получить материалы, преломляющие терагерцевые лучи подобно линзам. Тут уместно сделать небольшое отступление и вспомнить, как придумали рентгеновские линзы.

Кажется, что эти лучи пронзают любой материал без заметного отклонения. Разве можно тут говорить о каком-то коэффициенте преломления и, соответственно, об оптике?

Но рентген, как и любое излучение, обладает свойством внутреннего отражения от границы между воздухом и каким-нибудь плотным материалом. Правда, угол этого отражения чрезвычайно мал. Иными словами, зеркало может отразить рентген, если луч падает на поверхность почти горизонтально.

Значит, в очень узкой трубочке, плавно изогнутой по большому радиусу, рентгеновский луч будет многократно отражаться от стенок подобно лучу обычного света в оптоволокне. Осталось соединить толстый пучок таких трубок в единый блок — и готова рентгеновская линза. Теперь сходным образом физики поступили и с терагерцевыми лучами.

Оказалось, что определённые метаматериалы обладают отрицательным коэффициентом преломления. При падении под углом лучи в таких пластинах отклоняются в другую сторону, нежели обычный свет в обычных линзах.

То есть, новые материалы ведут себя так же необычно, как воздушная линза в толще воды по отношению к линзе стеклянной в воздухе. А это открывает занимательные перспективы по части построения всяких "глаз", пронизывающих чемоданы путешественников в аэропортах, или кирпичные стены, за которыми прячутся террористы, удерживающие заложников.

Membrana