Физики изобретают "шапку-невидимку"

Автор: Олег Нечай

Опубликовано 28 июля 2010 года

Профессор Елена Сёмушкина из Мичиганского технического университета - из тех, кто "сказку сделал былью": под её руководством американские учёные придумали специальное покрытие, делающее объекты невидимыми. Правда, с целым рядом оговорок, но звучит, как фантастика - выходит, что в перспективе вполне возможно создать если не шапку-невидимку, то, по крайней мере, плащ Гарри Поттера, закутавшись в который с головой, можно стать невидимым.

Если быть точным, то открытие учёных заключается в создании первого в мире неметаллического маскирующего покрытия, позволяющего делать цилиндрические объекты невидимыми в инфракрасном диапазоне. Главное отличие эксперимента Елены Сёмушкиной от предыдущих опытов заключается в том, что в нём были использованы цилиндрические стеклянные объекты, в то время как ранее эффект невидимости пытались получить с помощью металлических колец и проводов: объект, который нужно скрыть, помещался в кольца, в которые подавался электрический ток.

До невидимости в видимом свете пока ещё далеко, но очевидно, что первые шаги сделаны в правильном направлении. Адьюнкт-профессор электротехники и компьютерной инженерии МТУ Елена Сёмушкина обнаружила способ использования магнитного резонанса для поглощения лучей света и направления их в обход объектов, что и делает такие объекты невидимыми.

Сёмушкина и её коллеги из университета штата Пенсильвания создали неметаллическое покрытие, выполненное из халькогенидного стекла. Этот диэлектрик (то есть материал, не проводящий электричество) имеет необычную структуру: он состоит из миниатюрных резонаторов, объединённых в концентрические окружности, которые образуют цилиндр. Благодаря эффекту магнитного резонанса, луч света, направленный на такое стекло, отклоняется в сторону от центральной оси цилиндра, и это делает его невидимым. Компьютерное моделирование показало, что объект диаметром 300 нм и высотой 150 нм становится незаметным в лучах инфракрасного диапазона с длиной волны порядка одного микрона.

Как и прочие исследователи, занимающиеся проблемой невидимости, Сёмушкина использует в своих экспериментах метаматериалы (то есть искусственные композитные материалы), обладающие свойствами, не существующими в природе. Американское физическое общество назвало метаматериалы одним из трёх главных открытий десятилетия. В этих материалах атомы или молекулы природных материалов заменяются миниатюрными резонаторами, благодаря чему, в отличие от естественных материалов, они способны взаимодействовать как с электрическими, так и с магнитными свойствами световых волн. Здесь пересекаются классические области изучения материаловедения и электротехники, поскольку метаматериалы могут обладать необычными характеристиками, которые не отвечают общепризнанным законам оптики.

Халькогенидное стекло с резонаторами в концентрических окружностях - именно такой искусственный метаматериал, в состав которого входят сульфиды галлия, германия и индия. Благодаря своей микроструктуре он способен создавать магнитный резонанс, вызывающий отклонение световых волн. Однако у метаматериалов есть одна особенность, преодоление которой вызывает большие сложности: дело в том, что их оптические свойства могут существенно меняться в зависимости от размеров. То есть, теоретически, для покрытия большой площади потребуется множество независимых элементов, не только никак не взаимодействующих друг с другом, но и не препятствующих естественному распространению света. Даже программные симуляторы пока что не дают возможности смоделировать "исчезновение" достаточно больших предметов.

Тем не менее, Сёмушкиной и учёным из Университета Пенсильвании удалось создать структуру "плаща-невидимки", состоящего из одинаковых наноразмерных резонаторов из халькогенидного стекла. Уже состоялась первая демонстрация этого "плаща" в действии, но, увы, пока не в видимом диапазоне, а в микроволновом.

Елена Сёмушкина и её коллеги продолжают исследования, экспериментируя с метаматриалами в невидимом диапазоне электромагнитных волн. В настоящее время физики изучают возможность масштабировать полученные результаты для работы в диапазоне микроволн длиной до нескольких сантиметров. Для этого используются керамические резонаторы, созданные с учётом результатов опытов с халькогенидными цилиндрами.

Эксперименты проходят в безэховой камере Мичиганского технического университета, расположенной в лаборатории Центра электроэнергетики. Стены камеры покрыты звукопоглощающим вспененным материалом - конусами тёмно-серого цвета. В камере установлены антенны, передающие и принимающие микроволны, а также металлические цилиндры с керамическим покрытием. Эксперимент показал, что такое покрытие позволяет успешно "прятать" цилиндры диаметром от 2 до 3 дюймов (50,8-76,2 мм) и высотой от 3 до 4 дюймов (76,2-101,6 мм).

По словам Сёмушкиной, начав с экспериментов в невидимом спектре, учёные намерены перейти к более высоким частотами и меньшим длинам электромагнитных волн. Она подтвердила принципиальную возможность того, что когда-нибудь можно будет спрятать от глаз неприятеля армейский отряд или целый танк, но до этого ещё очень далеко.

Приятно осознавать, что учёный, занимающийся столь фантастическими экспериментами, - наш соотечественник. Научную деятельность Елена Сёмушкина начинала в Томске, где получила степень кандидата физико-математических наук, но уже около 15 лет работает в США. В Университете Пенсильвании ей была присуждена докторская степень (PhD) в области материаловедения. С тех пор она занимается исследованиями на стыке двух областей - изучения материалов и электромагнитных процессов. Среди важнейших достижений Сёмушкиной - создание первых в мире диэлектрических метаматериалов, не содержащих металлов, которые, теоретически, могут стать "невидимыми" в видимом спектре.