ставим на этом столе.
- Прежде всего, пока что маскировать можно только очень маленькие объекты, в последней статье размеры всего экранчика были порядка 0,1 мм, примерно 50-90 микрон. Потому что его сложно создавать, компоненты, из которых он создается, меньше микрона.
Саму «невидимку» как раз должно быть видно. Я допускаю, что в каком-то диапазоне углов зрения и это устройство тоже можно сделать плохо видимым. Оно меняет ход лучей примерно как прозрачная линза. Увеличительное стекло, в некоторой степени, «невидимо» — если сосредоточиться на изображении, которое мы разглядываем, и не задумываться о том, откуда увеличение. Но посмотрим на линзу сбоку, и не заметить её станет невозможно.
Аналогично, «плащ-невидимку» должно быть видно под какими-то углами зрения, «сбоку». А объект за ним, действительно, не будет виден, если смотреть в определённом диапазоне углов. В мартовском номере журнала Science описан подобный эксперимент: свет проходит через слой композитного материала («плащ-невидимку»), отражается от медной пластинки и идёт обратно.
Если убрать плащ, то в отраженном свете виден узкий желобок, который сделан на этой пластинке. Это и есть тот самый объект, который «прячут» учёные. Когда они покрывают пластинку этим материалом, световые лучи попадают на неё только там, где нет желобка.
Они отражаются назад только от ровных участков пластинки, поэтому в отраженном свете видно равномерно освещённое поле. Вот в чём состоит эксперимент. Но опять же, объект можно просто закрыть ровным листком белой бумаги, получим рассеяние, и если это чистая бумага, будет такой же равномерный фон. То есть, если задача состоит в том, чтобы получить равномерный фон в рассеянии, можно решить её гораздо проще, с помощью зеркала, опять же. То есть ключевой вопрос в том, какая перед нами стоит цель: сделать, чтобы желобок не было видно, или сделать так, чтобы и скрывающее его устройство тоже было невидимо.
- Тогда оно должно обладать свойством прозрачности?
- Прозрачность означает отсутствие как заметного поглощения, так и заметного рассеяния света. Поскольку материал в упомянутом эксперименте обладает показателем преломления от 1 до 1,5, то такое устройство обязано обладать определенным рассеянием, он взаимодействует со светом. А раз он обладает рассеянием, значит, с каких-то направлений его будет точно видно. Я допускаю, что можно, создавая распределение этого показателя, как-то поиграть с направлением рассеяния, перераспределить рассеянный световой поток. При этом в каком-то направлении рассеяние будет больше — соответственно, саму «шапку- невидимку» станет видно.
- Приближают ли такие наработки к моменту, когда будет создана полноценная шапка- невидимка?
- Сложно сказать, потому что мне ни разу не попадалось обсуждение вопроса невидимости самой шапки. Обсуждается только скрываемый предмет. Ставятся следующие задачи: чтобы это было не на одной длине волны, а в некотором диапазоне длин волн, и в этом, безусловно, продвинулись; не под одним углом зрения, а в диапазоне направлений наблюдения. А работы, в которых бы стремились скрыть саму шапку, мне не известны. Поэтому, если сам плащ остается видимым, тогда, наверное, вряд ли приближает.
- Из каких материалов делают такие устройства?
- Есть разные варианты, но в целом это композитные материалы, которые обладают необычными свойствами. Их называют метаматериалами. Метаматериал — это структурированный образец, в котором частички определенного вещества особенным образом распределены в матрице из другого вещества.
Внешняя матрица может быть, например, полимером или стеклом, а мелкие частицы, которые в нём распределяются, могут быть как диэлектриками, так и частицами металла. Отличительное свойство таких композитов состоит в том, что важно не только, из каких веществ он состоит, но и какова его микроструктура.
Для того чтобы понять, что такое метаматериал, надо вспомнить, что такое вообще материал. Это среда, которая состоит из элементов, например, из атомов или из молекул. Эти элементы могут быть структурированы, или упорядочены, как в кристалле, или они могут располагаться беспорядочно, как в стекле. Совокупность атомов или молекул можно называть материалом только в том случае, если мы можем усреднить его характеристики по этим мелким элементам; именно в этом случае можно говорить о том или ином материале. Усреднение должно непременно присутствовать, иначе это будет не материал, а набор отдельных атомов, молекул.
Так вот, метаматериалы можно рассматривать как синтетический материал, в котором в качестве базового структурного элемента будут уже не те атомы или молекулы, которые есть в природе, а некие рукотворные объекты, ансамбль искусственных «атомов». Таким образом и удалось создать материалы с небывалыми оптическими свойствами.
- А как устроены метаматериалы?
- Можно привести такой пример. Представьте некий диэлектрик, скажем, стекло, в котором содержатся наномасштабные стержни из золота, брусочки размером примерно 100 на 100 на 800 нанометров. Они объединены в пары, и набор таких пар в диэлектрической матрице и составляют метаматериал. Пара стержней в данном случае — это как бы атом, но конечно, в кавычках, так как она большая. Такие «атомы» делают с помощью электроннолучевой нанолитографии. Подобная технология используются в электронике, в производстве микросхем.
В итоге получается материал, который обладает уникальными свойствами. Скажем, описанный образец обладает отрицательным показателем преломления, что было экспериментально показано в 2005 году исследователями из Университета Пёдъю (Purdue University) в США. Как известно, у вакуума показатель преломления ровно единица, у других, «обычных», веществ (вода, стекло) он больше единицы, а показателя меньше единицы у природных веществ не бывает. А здесь не то что меньше единицы, а даже меньше нуля!
К понятию «метаматериал» есть ещё и другой подход, с позиции уровней организации материи. Можно считать, что тот метаматериал, который я только что приводил в пример, состоит из атомов, составляющих стекло и атомов золота, но организованных сложным образом. Сначала мы должны атомы золота уложить в столбики, а затем эти столбики объединить нужным образом в пары. Один столбик в отдельности не обладает отрицательным показателем преломления, и набор одиночных столбиков тоже не обладает. А вот композитный материал из пар столбиков уже будет обладать.
Таким образом, в таком материале можно выделить два уровня организации исходных атомов. Второй уровень (то есть, объединение в пары) является уже метауровнем с позиции атомов золота. Отсюда и название — метаматериалы.
Базовый структурный элемент метаматериала создается искусственно, он рукотворный, поэтому не может быть слишком маленьким. С другой стороны, раз мы хотим говорить о материале, то есть подходить макроскопически, надо усреднять по большому числу этих элементарных «кирпичиков». Значит, они не могут быть и слишком большими. Так, если рассматривать взаимодействие с излучением, значит, надо усреднить по масштабу меньшему, чем длина волны. Для оптики это примерно 500 нм. И понятно, почему интерес к этому вопросу возник именно сейчас: прогресс технологии сделал возможным создание структурных элементов с размерами меньше микрона.
- А где они применяются?
- Это очень молодая область, и в ней слишком много непонятного. Пока технологическое
