X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Метаматериалы – это вещества, обладающие несуществующими в природе оптическими свойствами. Когда-то существование метаматериалов также считалось невозможным, поскольку их свойства не соответствовали известным на тот момент законам оптики. Но в 2006 г. исследователи из Университета Дьюка в Дарэме (штат Северная Каролина) и Имперского колледжа в Лондоне успешно опровергли это общепринятое мнение и при помощи созданных ими материалов, названных метаматериалами, сделали объект невидимым для микроволнового излучения. При создании метаматериалов в вещество внедряются крошечные имплантаты, которые вынуждают электромагнитные волны выбирать нестандартные пути. В Университете Дьюка ученые внедрили в медные ленты, уложенные плоскими концентрическими кругами (все это немного напоминает по конструкции конфорку электроплитки), множество крошечных электрических контуров. Результатом стала сложная структура из керамики, тефлона, композитных волокон и металлических компонентов. Крошечные имплантаты, присутствующие в меди, дают возможность отклонять микроволновое излучение и направлять его по заданному пути.

Необычные свойства метаматериалов базируются на их способности управлять показателем преломления. Виктор Веселаго в 1967 показал, что материалы могут обладать необычными оптическими свойствами, как отрицательный показатель преломления и обратный эффект Доплера [1].

В общем случае размеры внутренних структур, внедренных в метаматериал, должны быть меньше длины волны излучения. Чтобы сделать объект невидимым, например, для зеленого света (с длиной волны 500 нм), метаматериал должен иметь внедренные структуры длиной всего около 50 нм. Но нанометры — это уже атомный масштаб, и для работы с такими размерами требуются нанотехнологии (в одном нанометре может уместиться несколько атомов.) Это ключевая проблема, с которой придется столкнуться при создании настоящего плаща – невидимки для видимого диапазона длин волн. Чтобы произвольно искривлять путь светового луча, нам необходимо модифицировать отдельные атомы внутри метаматериала.Отрицательные значения диэлектрической ε и магнитной μ проницаемостей среды получаются в том случае, когда электроны в материале движутся в направлении, противоположном по отношению к силам, создаваемым электрическим и магнитным полями. Хотя такое поведение кажется парадоксальным, заставить электроны двигаться против сил электрического и магнитного полей оказалось не так уж сложно. Если толкнуть маятник рукой, он послушно переместится в направлении толчка и начнет колебаться с частотой собственных колебаний. Подталкивая маятник в такт с этой частотой, можно увеличить амплитуду колебаний (войти в резонанс). Если же толкать его с более высокой частотой, то толчки перестанут совпадать с колебаниями по фазе, и в какой-то момент руку ударит маятник, движущийся ей навстречу. Точно так же электроны в материале с отрицательным показателем преломления входят в противофазу и начинают сопротивляться «толчкам» электромагнитного поля. Ключ к такого рода отрицательной реакции — использование резонансной характеристики среды, выбор колебаний со специфической частотой. Этот режим создается в метаматериале искусственно с помощью крошечных резонансных контуров, имитирующих отклик вещества на магнитное или электрическое поле. Например, в разорванном разрезном кольцевом резонаторе (РКР) магнитный поток, проходящий через металлическое кольцо, наводит в нем круговые токи, аналогичные токам, обуславливающим магнетизм некоторых материалов. А в решетке из прямых металлических стержней электрическое поле создает направленные вдоль них токи.

Свободные электроны в таких контурах испытывают колебательное движение с частотой, зависящей от формы и размеров проводника. Если приложено поле с частотой ниже резонансной, будет наблюдаться нормальная положительная реакция. Однако с увеличением частоты отклик становится отрицательным, так же как в случае с маятником, движущимся навстречу, если толкать его с частотой выше резонансной. Таким образом, проводники в некотором диапазоне частот могут реагировать на электрическое поле как среда с отрицательной ε, а кольца с разрезами могут имитировать материал с отрицательной μ. Эти проводники и кольца с разрезами и есть элементарные блоки, необходимые для создания широкого ассортимента метаматериалов, в том числе таких, которые искал Веселаго.

Калифорнийские ученые сконструировали метаматериал, состоящий из чередующихся проводников и РКР, собранных в виде призмы. Проводники обеспечивали отрицательную ε, а кольца с разрезами — отрицательную μ. В результате должен был получиться отрицательный показатель преломленияn. Для сравнения была изготовлена призма точно такой же формы из тефлона, у которого n = 1,4. Как и ожидалось, пучок подвергся положительному преломлению на призме из тефлона и отрицательному на призме из метаматериала. Предположение Веселаго стало реальностью: был получен материал с отрицательным показателем преломления.

Степень взаимодействия определяется двумя характеристиками вещества: величиной диэлектрической проницаемости ε и магнитной проницаемости μ. Первая показывает степень реакции электронов на электрическое поле, вторая — степень реакции на магнитное. У подавляющего большинства материалов ε и μ больше нуля. Оптические свойства вещества характеризуются показателем преломления n, который связан с ε и μ простым соотношением: n = ± √(ε∙μ). Для всех известных материалов перед квадратным корнем должен стоять знак «+», и поэтому их показатель преломления положителен. Однако в 1968 г. Веселаго показал, что у вещества с одновременно отрицательными ε и μ показатель преломления n должен быть меньше нуля [2].

Метаматериалы для светавидимого диапазона.

Заметной вехой на пути к невидимости стал недавний эксперимент группы ученых из Германии и Министерства энергетики США, в котором процесс травления кремниевой подложки удалось использовать для изготовления первого метаматериала, способного работать в видимом диапазоне света. В начале 2007 г. ученые объявили ими создан метаматериал для красного света. «Невозможное» было реализовано в удивительно короткие сроки. Физики из Лаборатории Эймса и Университета штата Айова сумели создать метаматериал с показателем преломления n=-0,6 для красного света с длиной волны 780 нм. (До этого мировой рекорд длины волны излучения, которое удалось «завернуть» при помощи метаматериала, составлял 1400 нм; это - инфракрасный свет.)

Для этого взяли лист стекла и нанесли на него тонкий слой серебра, затем слой фторида магния, затем снова слой серебра. Таким образом, был получен «сэндвич» с фторидом толщиной 100 нм. После этого при помощи стандартной технологии травления проделали в этом «сэндвиче» множество крохотных квадратных отверстий (шириной 100 нм, меньше длины волны красного света). В результате получилась решетчатая структура, типа рыбацкой сети. Затем они пропустили через полученный материал луч красного света и измерили показатель преломления, который составил n=-0,6. Изобретенная ими технология найдет широкое применение [3].

Метаматериалы могут когда-нибудь привести к созданию своего рода плоской суперлинзы, работающей в видимой части спектра. Такая линза позволит получать более высокое разрешение по сравнению с традиционной технологией и различать детали, значительно уступающие по размерам длине световой волны. Очевидно, одним из первых приложений «суперлинзы» станет фотографирование микроскопических объектов с беспрецедентной четкостью; речь может идти о фотографировании внутри живой человеческой клетки. В идеале появится возможность сфотографировать компоненты молекулы ДНК непосредственно, без применения сравнительно грубых и разрушающих методов рентгеновской кристаллографии. Пока удалось продемонстрировать отрицательный показатель преломления только для красного света. Следующим шагом должно стать создание метаматериала, который мог бы полностью обвести красный луч вокруг объекта, сделав объект невидимым для красного света.

Дальнейшее развитие следует ожидать в области «фотонных кристаллов». Цель технологии фотонных кристаллов — создать чип, который использовал бы для обработки информации свет, а не электричество. Предполагается применить нанотехнологии для вытравливания на подложке крошечных компонентов — так, чтобы с каждым компонентом изменялся показатель преломления. Технология получения фотонных кристаллов должна идеально подойти для метаматериалов, — ведь обе технологии предполагают манипулирование показателем преломления света на наноуровне [4].

Анри Лезек, Дженнифер Дионн и Гарри Этуотер из Калифорнийского технологического института объявили о создании в 2007 г. метаматериала, обладающего отрицательным показателем преломления для сине-зеленой области видимого спектра, на базе совершенно иной технологии, получившей название «плазмоника». Цель плазмоники — таким образом «сжать» свет, чтобы можно было манипулировать объектами в наномасштабе, особенно на поверхности металлов. На поверхности металла можно создать волнообразные движения электронов (эти волны называют плазмонами) в такт с колебаниями электромагнитного поля над металлом. Важно, что эти плазмоны будут иметь ту же частоту, что и первоначальный световой луч (а значит, будут нести ту же информацию), при значительно меньшей длину волны по сравнению с длиной электромагнитной волны. Затем эти волны можно «втиснуть» в нанопроводники. Как и в случае фотонных кристаллов, конечная цель плазмоники — создание компьютерных чипов, в которых работает не электроны, а свет.

Много лет нанотехнологии не позволяли манипулировать отдельными атомами. Но в 1981 г. произошел прорыв — физики Герд Бинниг и Генрих Рорер из лаборатории IBM в Цюрихе изобрели сканирующий туннельный микроскоп. Появилась возможность получать изображение отдельных атомов, объединенных в структуры —такие, какие схематически изображают в книгах по химии. Теперь можно получить фотографии атомов, выстроенных рядами в правильной структуре кристалла или металла. Химические формулы, при помощи которых пытались отразить сложную структуру молекулы, теперь можно увидеть. Более того, сканирующий туннельный микроскоп дал возможность манипулировать отдельными атомами [5].

Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа обманчиво прост. Подобно тому, как граммофон сканирует диск иглой, этот микроскоп медленно проводит острый щуп над исследуемым веществом. (Кончик этого щупа такой острый, что заканчивается единичным атомом.) Щуп несет на себе слабый электрический заряд; с его конца через исследуемый материал к проводящей поверхности под ним течет электрический ток. При прохождении щупа над каждым отдельным атомом ток меняется; изменения тока регистрируются. Подъемы и падения тока при прохождении иглы над атомом очень точно и детально отражают его очертания. Обработав и представив в графической форме данные о флуктуациях тока за большое количество проходов, можно получить картину отдельных атомов, образующих пространственную решетку.

Следует упомянуть еще один принципиально иной способ становиться невидимым. Этот способ предусматривает использование возможностей четвертого измерения. Может ли человек покинуть нашу трехмерную вселенную и парить над ней в четвертом измерении, наблюдая за происходящим со стороны? Подобно трехмерной бабочке, порхающей над двумерным листом бумаги, такой человек был бы невидим для любого обитателя вселенной внизу. Проблема состоит в том, что существование высших измерений предсказываемых теорией на практике не доказано. Кроме того, оценки показывают, что гипотетическое путешествие в одно из таких измерений потребовало бы намного больше энергии, чем имеется в нашем распоряжении в настоящий момент, при текущем уровне развития техники. Если говорить о реальных способах достижения невидимости, то этот метод, очевидно, лежит далеко за пределами наших сегодняшних знаний и возможностей [6].

Новые открытия в этой области совершаются каждые несколько месяцев, поэтому физики ожидают появления в лаборатории первых образцов реального щита невидимости уже в ближайшее время. Появилась уверенность том, что в ближайшие несколько лет будут созданы метаматериалы, способные сделать объект полностью невидимым, по крайней мере, в двух измерениях, для видимого света любой конкретной частоты. Чтобы добиться такого эффекта, необходимо внедрить в метаматериал крошечные наноимплантаты не периодически правильными рядами, а по специальной формы сложному рисунку, так чтобы в результате свет плавно огибал скрываемый объект.

На следующем этапе придется изобрести и создать метаматериалы, способные изгибать свет в трех измерениях, а не только на плоских двумерных поверхностях. Фотолитография — это хорошо отработанная технология для получения плоских кремниевых схем. Создание же трехмерных метаматериалов потребует как минимум сложной компоновки нескольких плоских схем. После этого придется решить проблему создания метаматериалов, изгибающих свет не только одной частоты, а нескольких — или даже полосы частот. Это сложная задача, потому что все разработанные до сих пор крошечные имплантаты отклоняют свет только одной точно заданной частоты. Придется заняться многослойными метаматериалами, где каждый слой будет действовать на одну конкретную частоту. Пока не ясно, каким будет решение этой проблемы. Плащ-невидимка, по крайней мере, поначалу, будет представлять собой твердый цилиндр из метаматериала. В этом случае показатель преломления внутри цилиндра можно будет сделать постоянным. (В более продвинутых моделях со временем могут появиться гибкие метаматериалы, способные изгибаться и при этом удерживать свет внутри себя на правильном пути. Тогда тот, кто будет находиться внутри «плаща», получит некоторую свободу движений.) У щита невидимости есть один недостаток, на который уже неоднократно указывали: тот, кто находится внутри, не сможет выглянуть наружу, не став при этом видимым. Препятствия на пути к невидимости серьезны, но ученые настроены оптимистично.

Список литературы.

1. Веселаго В.Г. Электродинамика материалов с отрицательным коэффициентом преломления. УФН, 2003. – 173. – В.3. – с. 790–794.

2. Pendry J.B., Smith D.R. Reversing Light with Negative Refraction // PhysicsToday. 2004. Vol. 57. No. 6. P. 37–43.

3. Metamaterials: Fundamental Principles and Applications. G. V. Eleftheriades and K. Balmain. Wiley-IEEE Press, 2005.

4. Smith D.R., PadillaW.J., Vier D.C., Nemat-Nasser S.C., Schultz S., Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity. Physical Review Letters. 2000. 84. 4184.

5. Valentine J. Three-dimensional optical metamaterial with a negative refractive index. Nature 2008. 455 (7211): 376–9. DOI:10.1038/nature07247

6. Пендри Дж., Смит. Д. В мире науки. – 2006. – №11.

Код для цитирования: Скопировать