Плащ-невидимка, суперлинза и другие волшебные предметы⁠⁠

Все из нас, наверное, знакомы с явлением преломления света (рефракции), когда при переходе из одной оптической среды в другую (например, при переходе из воздуха в воду), лучи видимого света изменяют своё направление. Многие даже знакомы с понятием коэффициента преломления – характеристики оптической среды, величина, равная отношению фазовых скоростей света (электромагнитных волн) в вакууме и в данной среде. Однако, задумывались ли вы, какими свойствами будет обладать материал, если коэффициент его преломления будет отрицательным?

Материалы, проявляющие подобные свойства называются метаматериалы.

Приставка «мета-» переводится с греческого как «вне», что позволяет трактовать термин «метаматериалы» как структуры, чьи эффективные электромагнитные свойства выходят за пределы свойств образующих их компонентов.

Одним из основных свойств метаматериалов является их возможность на макро-уровне манипулировать световыми или звуковыми волнами, либо изменять свои электромагнитные свойства.

Существует много теоретических сфер применения высокотехнологичных материалов.

Мы не будем касаться такой фантастической экзотики как компьютроний, нейтроний, странная или кварковая материя, а коснёмся лишь «обычных» метаматериалов, способных изменять свои акустические или электромагнитные свойства, ведь человечество уже начало использовать некоторые из них, а в принципе, подобные метаматериалы способны изменить нашу жизнь кардинальным образом.

Чтобы дальше не вдаваться в тонкости физики, нас интересуют в первую очередь такие свойства как магнитная и диэлектрическая проницаемость.

Магнитная проницаемость – характеристика материала, показывающая способность материала к формированию внутри себя магнитного поля, иными словами – степень магнетизации материала под воздействием внешнего магнитного поля.

Диэлектрическая проницаемость отвечает за скорость изменения электрического заряда при формировании электрического поля (при изменении электрического потенциала).

Данные свойства так же влияют на коэффициент преломления (рефракции) материала, и в целом, определяют характер их взаимодействия с электромагнитными полями.

Природные материалы имеют положительные по величине значения диэлектрической или магнитной проницаемости, в метаматериалах данные значения могут быть и отрицательными (к способам изготовления вернёмся позднее). В равной степени метаматериал может обладать и отрицательным коэффициентом преломления (причём, мы говорим не только о видимом свете, но так же и об инфракрасном, микроволновом и радио-диапазонах).

Чтобы представить себе отрицательный коэффициент преломления, сначала представьте зеркало, отражающее свет из верхнего левого угла в нижний левый. Теперь, если мы заменим зеркало на расположенную горизонтально пластину метаматериала, мы получим тот же самый эффект.

Электродинамика сред, проявляющих отрицательный коэффициент преломления, была впервые изучена советским теоретиком Виктором Веселаго в 1967 году. Он предсказал многие свойства метаматериалов, которые появились лишь тремя десятилетиями позже.

Как они изготавливаются? Принцип создания подобного материала основывается на конструировании геометрически-упорядоченных «ячеек» из материалов с отрицательной магнитной или диэлектрической проницаемостью. Каждый индивидуальный элемент подобного материала не проявляет никаких особых свойств, однако, в целом, набор подобных ячеек начинает проявлять свойства метаматериала. Подобная ячейка должна быть меньше длины волны видимого спектра, и мы только сейчас начинаем подступаться к нанотехнологиям, способным конструировать объекты с подобной точностью. Неудивительно, что изначально такие метаматериалы были найдены для радиоволн и микроволнового диапазона, имеющего существенно большую длину волны в сравнении с длиной волны видимого спектра, однако уже в 2007 году были найдены метаматериалы, работающие и в оптическом диапазоне:

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2007-01/dl-mft010407.php

Как уже было сказано, большинство природных материалов имеют положительную магнитную и диэлектрическую проницаемость, но есть и исключения. Ферриты, например, обладают магнитными свойствами ферромагнитного металла, и электрическими свойствами диэлектрика. Если скомбинировать крохотные ферритовые кольца с крохотными металлическими стержнями, мы можем добиться проявления свойств метаматериала.

https://cyberleninka.ru/article/v/printsipy-postroeniya-kompozitnoy-sredy-s-otritsatelnoy-magnitnoy-pronitsaemostyu

Чтобы понять, как это происходит, нужно понимать, что электромагнитная волна, проходящая сквозь металл, возбуждает электроны в атомах. Электрон выходит из своего стационарного положения. При смещении электрона возникает разность потенциалов между электроном и ионом, которые оказались разнесены. Разность потенциалов вызывает электрическое поле, которое стремится вернуть электрон в исходное состояние. В этом движении он приобретает инерцию и по инерции проходит своё стационарное состояние, оказываясь в противоположной стороне. Поле снова воздействует на него, но оно противоположного направления. Возникает колебательный процесс, при достаточно высокой частоте которого, металл приобретёт свойства диэлектрика, а электромагнитная волна проходит сквозь него, словно сквозь вакуум.

Крохотные стержни такого металла обеспечат нам отрицательную магнитную, а малые ферритовые кольца – отрицательную диэлектрическую проницаемость для той частоты электромагнитного излучения, которая нам нужна.

https://www.iflscience.com/technology/beyond-invisibility-engineering-light-metamaterials/

Каждый из этих материалов по отдельности не сможет обеспечить нам отрицательный коэффициент преломления, но если их скомбинировать, получится «ячейка» метаматериала.

У нас теперь есть метаматериал, давайте посмотрим, что мы можем с ним сделать?

Представим, что нам необходимо сконцентрировать радиоволны на приёмнике. С метаматериалом, мы можем создать крохотную антенну, которая будет справляться с задачей не хуже, и даже лучше стандартной громоздкой конструкции. Более того, наша антенна может быть абсолютно плоской.

По сути, мы создали идеальную линзу, которая может фокусировать излучение, но может быть при этом абсолютно плоской и тонкой.

Чем большей миниатюризации мы добьёмся при изготовлении такой линзы, тем меньше длина волны, которую она сможет фокусировать.

Более того, мы можем тонко подстраивать нашу линзу лишь на интересующий нас диапазон частот (например, диапазон Wi-Fi 2,4 ГГц с длиной волны 12,5 см), а всё остальное – рассеивать. С такой линзой отношение сигнал/шум улучшается на порядки.

Ещё одним свойством метаматериала является возможность компенсировать эффект Доплера (https://arstechnica.com/science/2011/03/inverse-doppler-effect/), что сильно облегчит связь с космическими аппаратами, сигнал от которых приходит либо с красным, либо с синим смещением, в зависимости от направления движения. Например, немало головной боли доставила инженерам НАСА посадка зонда «Гюйгенс» на Титан (один из спутников Сатурна), когда огромная скорость его материнского корабля «Кассини» и торможение зонда об атмосферу Титана привело к сильному проявлению эффекта Доплера на канале связи между ними (http://www.thespacereview.com/article/306/1).

С метаматериалом мы можем заставить приёмник принимать сигнал с нужной нам частотой без эффекта Доплера.

Отрицательный коэффициент рефракции метаматериала подводит нас к ещё одному интересному направлению – военному. Возьмём современного солдата, который носит камуфляж, маскирующий его на местности в видимом диапазоне, однако, он ничего не может сделать с теплом собственного тела, которое его абсолютно демаскирует при наличии тепловизора.

В боевой обстановке, его подразделение не всегда осведомлено о том, где находятся «соседи», поэтому в военных конфликтах нередки случаи «стрельбы по своим». Электронное оборудование в его подразделении питается от тяжёлых батарей, которые он подзаряжает солнечными панелями. Для обеспечения спутниковой связи, нему необходимо направлять антенну в определённую точку на небе практически «на глаз». Возможности батарей не безграничны, а необходимость в шифровке и дешифровке сигнала дополнительно увеличивают расход энергии.

В военном деле широко используется разнообразная оптика и приборы ночного видения, а возможность приближения прямо зависит от размера линзы – чем лучшее разрешение требуется получить, тем большая линза вам нужна.

Теперь посмотрим, как может измениться жизнь этого солдата при помощи метаматериалов. Его камуфляж теперь делает его практически невидимым как в инфракрасном, так и в видимом диапазоне, так как способен перенаправлять электромагнитные волны в требуемом направлении, при этом режим «стелс» не требует энергии. Разумеется, это не полноценный «плащ-невидимка» из Гарри Поттера, но заметность подобного камуфляжа намного меньше, чем у обычной ткани. Настолько меньше, что обнаружить подобного солдата будет проще по звукам, которые он издаёт либо при помощи эхолокации.

Транспондеры из метаматериала позволяют обеспечить надёжное опознавание «свой-чужой». Солнечные панели для подзарядки оборудования теперь имеют значительно меньшую массу и габариты. Получение сигнала со спутника теперь не потребует точного «прицеливания» антенны. Его оптика теперь позволяет добиться гораздо лучшего разрешения на большем расстоянии, его оборудование надёжно защищено от электромагнитных помех.

Не стоит, наверное, говорить, что подобные технологии помогают существенно снизить заметность не только живой силы, но и техники, особенно это важно для инфракрасного диапазона, так как множество вооружений наводится на цель именно по тепловому следу.

Но и в мирной жизни возможности для применения метаматериалов далеко не исчерпаны.

Ещё более замечательным свойством метаматериалов является возможность преодоления дифракционного предела в оптических системах, что позволит повысить разрешающую способность оптических микроскопов, создавать микросхемы нано-масштаба, существенно повысить плотность записи на оптические носители информации.

Там, где оптоволокно может заменить медный кабель, метаматериал может заменить оптоволокно, что приведёт к к более компактным, лёгким и энергоэффективным электронным приборам, антеннам и оптике.

Такой материал так же поможет существенно сэкономить место под расположение зеркал, а соответственно – увеличить мощность гелиотермальных электростанций.

Применять метаматериалы можно не только там, где требуется манипуляция электромагнитными волнами. Те же принципы вполне можно применять и для акустических волн, даже проще, так как их длины вполне сопоставимы с нашими размерами (длина акустической волны различаемого человеческим ухом диапазона колеблется в пределах от 2 см до 20 м).

Шумовое загрязнение сейчас является серьёзной проблемой для крупных городов, а новые тонкие и лёгкие шумоизолирующие материалы помогут значительно улучшить жизнь населения. Своё применения акустические метаматериалы смогут найти и в таких обыденных приборах, как микрофоны и динамики, а в перспективе (поскольку при помощи звука можно и предметы двигать), можно вообразить узконаправленные звуковые линзы или защитные барьеры.

В завершении хочется сказать, что мы пока только начали подступаться к технологиям создания метаматериалов, и не в состоянии охватить воображением полностью всё, где можно использовать метаматериалы, как не могли себе вообразить важность своих исследований первые экспериментаторы с полупроводниками, как не могли вообразить всего даже те, кто создавал из полупроводников первые транзисторы. Но метаматериалы – это не какой-то прожект из далёкого будущего, это технологии, которые войдут в повседневную жизнь быть может, уже следующего поколения.