"Обтекание" предмета светом, рисунок с сайта BBC

Невидимый фронт

Британские физики рассказали, как стать невидимым

Два года назад королева Великобритании произвела в рыцари Джона Пендри, физика-теоретика из Лондонского имперского колледжа. До того как стать рыцарем, сэр Пендри открыл то, что удобнее всего было бы назвать "некоторыми оптическими свойствами некоторых материалов", не вдаваясь в физические и нанотехнологические детали. А в мае 2006 года он и двое коллег - Шуриг и Смит -сообщили миру о том, что знают, как делать невидимыми обычные предметы.

Теоретический рецепт Пендри-Шурига-Смита можно назвать универсальным: абсолютно все равно, самолет или лишнюю деталь интерьера предстоит спрятать от наблюдателя. И то, и другое можно заключить в специальную емкость, которую световым лучам придется огибать. Стенкам емкости отводится роль волновода. Искривленная траектория каждого фотона внутри оболочки должна начинаться и заканчиваться на одной прямой, а время в пути - быть одинаковым для всех частиц параллельного пучка. Самый интересный вопрос - в том, как изогнуть лучи и можно ли их изогнуть вообще.

Азбучное свойство света - распространяться вдоль прямых, которые преломляются только на границе разных сред. В начале 19-го века этот принцип опроверг французский академик Араго, поставивший опыт так, чтобы в центре тени от диска появилось светлое пятно. Это заставило отказаться от положений прежней оптики, заменив "световые корпускулы" волнами, но и в новой теории волны двигались вдоль лучей. В 20-м веке бывшие корпускулы получили сложное квантовое описание и название фотонов, однако прямые пути предписывались и им. Как бы ни объясняли природу света, "искривить" его в земных условиях по-настоящему не получалось. Пока не появилась фотоника.

Достижения в ней и обеспечили Джону Пендри право ходить с мечом наголо и перегонять овец через Лондонский мост. Хотя точно определить эту область не намного проще, чем воспользоваться рыцарскими привилегиями в Лондоне образца 2006 года, достаточно сказать, что в числе ее результатов - замедление светового пучка в сотни раз и его разгон до "сверхсветовых" скоростей. И логика, и техника подобных экспериментов довольно необычны - при том, что фотоника с самого начала базировалась на хорошо известных вещах. Тем больше впечатляет ее отличие от прочих ветвей "световедения" - квантовой, геометрической и волновой. Основные тезисы которых, строго говоря, даже не понадобилось радикально пересматривать, чтобы получить совершенно автономную область.

Фотоника занимается эффектами, пограничными для квантового и волнового поведения света. Ключевой для волны параметр - ее длина - у видимого излучения попадает в "неудобный" диапазон. Для всех цветов от красного до фиолетового длина волны сравнима с тысячной миллиметра. С одной стороны, это намного больше атомных и молекулярных масштабов, с другой - в тысячи раз меньше размеров макроскопических тел. Именно поэтому внутри любой привычной среды - будь то стекло, вода или воздух - луч можно рассматривать как геометрический объект, а все самое интересное случается при переходе между средами. Одной из идей фотоники было влиять на распространение света непрерывно - то есть, иными словами, создавать среды, состоящие из частиц "средних" размеров. Как этого добиться, к концу 90-х годов уже знали нанотехнологи.

Если, например, взвесить в прозрачном субстрате частицы диаметром в сотни нанометров, получится увеличенная модель кристаллической решетки. В твердых телах на ней рассеиваются электроны, а характер рассеяния и задает деление материалов на проводники, полупроводники и изоляторы. Замена электронов на фотоны и атомов на "квазиатомы" позволяет эту модель обобщить. В грубом приближении оптическая аналогия очевидна - проводникам и изоляторам соответствуют прозрачные и непрозрачные для света вещества. Что же касается "световых полупроводников", то с ними до недавнего времени физики знакомы не были.

Работа физика Эббесена из Страсбургского университета, опубликованная в 1998 году, устранила это недоразумение. В ней рассказывалось, как при определенных условиях тонкая серебряная пленка с микроотверстиями начинает пропускать стократно большее количество света, чем следовало из простых геометрических соображений. Поскольку эффект наблюдался только в узком диапазоне длин волн, сопоставить это с "запрещенной зоной" полупроводников было вполне резонно.

Серебряная решетка с микроотверстиями и пропущенный сквозь нее свет, фото с сайта sciencemag.org

Метаматериалы - так решили называть структуры с решеткой из "квазиатомов" или отверстий, на которых рассеиваются фотоны - быстро сделались (наряду с фуллеренами, нанотрубками и квантовой телепортацией) одной из популярных тем, занятие которыми уже не требует конкретной цели. Пендри и соавторы, напротив, недостатка в целях не испытывали. Сначала они сообщили о создании фотонного материала с отрицательным коэффициентом преломления (у обычных веществ эта характеристика описывает, во сколько раз ими замедляется свет). Часть его свойств описывались "зеркальной" версией привычных оптических формул, а изготовленная из него плоская пластинка могла, как и линзы, фокусировать свет, но не переворачивая при этом изображение объекта. Вскоре было замечено, что подобные "суперлинзы" позволяют различать детали, размер которых меньше длины световой волны.

Коллекция метаматериалов была уже довольно обширной (и включала, кстати, такие экзотические объекты, как драгоценный камень опал и крылья бабочек рода Morpho), когда группа Джона Пендри решила проверить, нельзя ли их применить к "проблеме невидимости". Этой темой давно и серьезно интересовались военные, и Агентство передовых исследований при Министерстве обороны США (DARPA) без особых колебаний выделило ученым внушительный грант. Прежние решения сводились к несложным инженерным трюкам и взыскательных заказчиков, очевидно, не устраивали. Так, например, японский "невидимый плащ" был комбинацией сенсоров, захватывающих изображение с одной стороны, и жидкокристаллических элементов, воспроизводящих его с другой. "Плащ", подпитываемый электричеством, был довольно хрупок и подвержен сбоям электроники. Вдобавок ретрансляция захваченных изображений не была мгновенной, а военные приложения требовали более оперативной реакции.

Пендри и соавторы решили отталкиваться от первооснов - и просто применили к модели невидимой полости классические уравнения Максвелла, описывающие все электромагнитные явления сразу. Результатом расчета было распределение в "невидимой оболочке" диэлектрических и магнитных проницаемостей - величин, которые определяют коэффициенты преломления. Это можно было рассматривать как готовую инструкцию для сборки - когда бы цифры не указывали на то, что нужных материалов все еще не существует.

Несмотря на это, исследователи уже успели заявить, что в свойствах недостающих веществ нет ничего сверхъестественного - по крайней мере, нанотехнологи с этим не спорят. По прогнозам сэра Пендри, емкость, делающая любой предмет прозрачным для радиоволн, появится уже через восемнадцать месяцев, а оптическая невидимость - дело нескольких лет.

Так что у человечества есть все шансы увидеть шапку-невидимку.