Изчего можно сделать шапку-невидимку?

      Комментарии к записи Изчего можно сделать шапку-невидимку? отключены

Изчего можно сделать шапку-невидимку?

В начале 2001 года дома у Виктора Веселаго, завлабораторией магнитных материалов отдела сильных магнитных полей Университета неспециализированной физики РАН (ИОФАН) им. А.М. Прохорова, раздался звонок телефона. «Доктор наук, — сообщил по-английски голос в трубке. — Вас тревожат из издания New Scientist.

Мы бы желали взять ваш комментарий по поводу опытов американских ученых Шульца и Смита, обрисованных в только что вышедшем издании Science. Думается, им удалось создать материал, что вы теоретически предсказали более тридцати лет назад».

Упражнение для ума

По окончании окончания школы, где он действительно увлекся радиотехникой, Веселаго поступил на только что созданный физтех МГУ (позднее ставший независимым вузом — МФТИ). Диплом он защитил в ФИАН под управлением А.М. Прохорова (будущего лауреата Нобелевской премии 1964 года по физике), а после этого продолжил работу в университете уже как научный сотрудник.

В 1960-х годах он заинтересовался магнитными полупроводниками — материалами, каковые проявляют свойства как ферромагнетиков, так и полупроводников (их проводимость изменяется при трансформации магнитного поля). «Имеется таковой электровакуумный прибор — лампа бегущей волны, он употребляется в качестве усилителя СВЧ-сигналов, — растолковывает доктор наук Веселаго. — Усиление тут является следствием сотрудничества электронов с электромагнитной волной. Я поразмыслил, что возможно было бы попытаться создать таковой прибор в твердотельном варианте, а для этого нужен был материал, очень сильно замедлявший скорость распространения электромагнитной волны, другими словами с высоким показателем преломления.

Показатель преломления (n) определяется как квадратный корень из произведения диэлектрической проницаемости (?) и магнитной проницаемости (µ). Мысль с магнитным полупроводником не оправдала себя (необходимый режим работы подобрать не удалось), но вынудила меня пристально разглядеть вещества с разными? и µ, и хорошими, и отрицательными. Вещества с обеими хорошими размерами — это прекрасно узнаваемые простые диэлектрики.

С хорошим? и отрицательным µ — ферромагнетики. С отрицательным? и хорошим µ — плазма. А вот веществ с отрицательными? и µ тогда известно не было. Листок с формулой показателя преломления лежал у меня на столе, я наблюдал на него и внезапно поразмыслил: но так как при таких условиях и сам показатель преломления возможно отрицательным.

И не только с позиций математики!».

Против здравого смысла

Таковой вывод был очень необыкновенным, потому, что во всех книжках подразумевалось, что показатель преломления любой среды — это неизменно хорошая величина. Собственными мыслями, каковые показались ему крайне важными, Виктор поделился с сотрудниками. Но ученые, загруженные работой, восприняли его выводы как «разминку для ума», абстракцию, которая не имела никакого физического смысла.

И тогда Веселаго написал маленькую статью «Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями? и µ, где продемонстрировал, что наличие таких веществ не противоречит никаким законам физики, и обрисовал их необыкновенные особенности. Материалы с отрицательным коэффициентом преломления в статье были названы «левыми», а простые, с хорошим, — «правыми» (по ориентации векторов, характеризующих электромагнитную волну). «В действительности мне не первому пришла в голову эта мысль, — говорит доктор наук Веселаго. — Об этом рассуждал еще академик С.Л.

Мандельштам, но только в математическом замысле. Разглядывал их и Д.В. Сивухин, но в собственный известный учебник он эти мысли не включил».

В издании «Удачи физических наук» (УФН) статью также восприняли как гипотетические рассуждения, но однако опубликовали. «Я представил собственный доклад на интернациональной конференции в Москве, — вспоминает Виктор Георгиевич, — и был приглашен выступить по данной теме на нескольких вторых конференциях — в Италии, Франции и США. По окончании моих докладов на этих конференциях темой заинтересовались, и я подготовил еще одну статью в сборник.

Но большое руководство ФИАН, определив об этом, упорно порекомендовало мне не заниматься всякой ерундой и не отвлекаться от главной работы в отделе сильных магнитных полей, где мы создавали громадную экспериментальную установку «Соленоид». В итоге эта тематика была практически забыта на продолжительные три десятилетия».

От теории к опыту

Статья «Экспериментальное подтверждение отрицательного показателя преломления» Дэвида Смита, Шелдона Ричарда и Шульца Шелби, исследователей из Калифорнийского университета в Сан-Диего, вышла в 2001 году в авторитетном издании Science и произвела в научном сообществе эффект разорвавшейся бомбы. В статье исследователи продемонстрировали, как, применяя проводящие незамкнутые катушки и дорожки-резонаторы для управления электрическими и магнитными особенностями среды, возможно сконструировать композиционный материал с отрицательным показателем преломления для длины волны около 3 см.

Такие составные материалы, свойства которых определяются не их химическим составом, а структурой, именуют метаматериалами. А потому, что экспериментаторы уже во втором абзаце статьи ссылались на ту самую статью 1967 года, это совсем закрепило приоритет изобретения таких материалов за Виктором Веселаго. Интерес к теме был так высок, что эта статья стала самой цитируемой за всю историю издания УФН, что издается с 1918 года.

А в 2006 году один из авторов первой статьи, Дэвид Смит, к тому времени перешедший в Университет Дюка, совместно со своим сотрудником по университету Дэвидом Шуригом и физиком Джоном Пендри из Имперского колледжа в Лондоне, разместили в Science статью «Управление электромагнитными полями». В ней они продемонстрировали кольцевую конструкцию из метаматериала с отрицательным показателем преломления, которая заставляет электромагнитные волны огибать предмет, находящийся в центре.

А это не что иное, как шапка-невидимка в самом буквальном смысле этого слова. Правда, пока для сантиметрового диапазона, но так как это лишь начало.

Свет, радио, звук, прибой

Разработка метаматериалов с отрицательным показателем преломления на данный момент весьма деятельно начинается. И не только вследствие того что это увлекательная наука, но и вследствие того что результаты в данной сфере смогут привести к увлекательным ответам в прикладных областях. «Публика ожидает шапку-невидимку, армейские — совершенный камуфляж и невидимую радаром технику, — говорит Виктор Веселаго. — Но я не пологаю, что в скором будущем стоит ожидать чего-то аналогичного.

Но уже имеется последовательность весьма занимательных разработок в области материалов с отрицательным показателем преломления не для электромагнитных, а для сейсмических волн. Достаточно выстроить такую структуру около строения, и волны, порожденные землетрясением, будут огибать его.

А исследователи из института Френеля в Марселе и Ливерпульского университета уже пара лет разрабатывают метаматериалы для того чтобы типа, талантливые обезопасисть прибрежные сооружения от разрушительных приливных, штормовых волн и цунами. И само собой разумеется, моя мечта — это материалы с отрицательным показателем преломления для оптического диапазона, каковые сделают действительностью суперлинзы для оптических устройств со очень высоким разрешением».

«левые» и «Правые»

Что мы заметим, в случае если взглянуть на материал с отрицательным показателем преломления

Преломление света — привычное явление, прекрасно общеизвестное, кто хоть раз наблюдал на игру солнечных лучей на ровной поверхности пруда. Но вот эффекты, появляющиеся в среде с отрицательным показателем преломления («левой» среде), сложно представить — так они противоречат общепринятым понятиям о поведении света. Вот кое-какие из них.

А. Карандаш, загружённый в воду, думается внешнему наблюдателю «сломанным» в сторону поверхности раздела сред.

Б. Карандаш в «левой» среде думается «отраженным» от поверхности раздела сред (рыбки, плавающие в таковой среде, будут казаться «парящими» над водой).

А. Луч света при преломлении на границе сред находится по различные стороны нормали.

Б. Луч света при преломлении на границе сред находится по одну сторону нормали.

А. Спектр предмета, движущегося от наблюдателя в «правой» среде, смещается в красную область за счет результата Доплера.

Б. Спектр предмета, движущегося от наблюдателя в «левой» среде, смещается в светло синий область за счет результата Доплера.

А. Заряженная частица, движущаяся стремительнее скорости света в «правой» среде, порождает черенковское излучение в виде конуса, направленного вперед.

Б. Заряженная частица, движущаяся стремительнее скорости света в «левой» среде, порождает черенковское излучение в виде конуса, направленного назад.

А. В «правой» среде фазовая (скорость отдельной волны) и групповая (скорость волнового пакета, переносящего энергию и импульс) скорости света направлены в одну сторону.

Б. В «левой» среде фазовая и групповая скорости света направлены в различные стороны.

А. Среда с хорошим показателем преломления («правая»)

Б. Среда с отрицательным показателем преломления («левая»)

Невидимые дома

Принцип «невидимости», реализуемый посредством метаматериалов с отрицательным показателем преломления, применим не только в радиофизике и оптике, но и в акустике. Ученые возлагают громадные надежды на создание структур, каковые имели возможность бы «маскировать» ответственные сооружения от сейсмических волн при землетрясениях. Опыты группы исследователей из Университета и Института Френеля Экс-Марсель продемонстрировали, что размещение в грунте нескольких регулярных последовательностей пустотелых цилиндров преломляет и отражает сейсмические волны.

Линзы Веселаго

Материал с ?=-1, µ=-1 и отрицательным показателем преломления n= -1 возможно применять для так называемой линзы Веселаго. Плоская пластинка «левой» среды всецело переносит оптическое поле с одной стороны на другую, создавая правильное, без всяких искажений, изображение. У таковой линзы, в отличие от простой, отсутствует оптическая ось.

Она не может сфокусировать параллельный пучок света, но за счет фокусировки ближнего поля через нее возможно разглядеть подробности, меньшие по размеру, чем протяженность волны света (дифракционный предел).

Как трудится шапка-невидимка

В случае если осветить предмет, аналогичный по размеру с длиной волны, пучком микроволн, мы встретимся с ним за счет отражения части излучения. Но в случае если окружить предмет «шапкой-невидимкой», изготовленной из метаматериала с отрицательным показателем преломления, пучок будет огибать предмет, и он станет всецело невидим. Таковой опыт был показан исследователями из Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Статья «История шапки-невидимки» размещена в издании «Популярная механика» (№149, март 2015).

Шапка Невидимка


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: