Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Библиотека
Публичные лекции
Библиотека «Династии»
Избранное
Методология науки
Лекции для школьников
Интервью
В популярных журналах
«В мире науки»
«Квант»
«Квантик»
«Наука и жизнь»
«Наука из первых рук»
«Популярная механика»
«Потенциал»: Химия. Биология. Медицина
«Потенциал»: Математика. Физика. Информатика
«Природа»
«Троицкий вариант»
«Химия и жизнь»
«Что нового...»
«Экология и жизнь»
Из Книжного клуба
Статьи наших друзей
Статьи лауреатов «Династии»
Выставка
Происхождение жизни
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Поиск в Рунете

Поиск

Архив журнала «Химия и жизнь» за 40 лет!

На 4 CD или 1 DVD



Новости науки

 
16.04
Как фитоплазма превращает арабидопсис в зомби

15.04
Эксперимент LHCb окончательно доказал реальность экзотического мезона Z(4430)

14.04
Родич аномалокариса отказался от хищничества

11.04
Скорость эволюции зависит от способа закладки первичных половых клеток

9.04
Перенаправление упругих колебаний почвы — шаг к сейсмической экранировке зданий






Главная / Библиотека / В популярных журналах / «В мире науки» версия для печати

В поисках суперлинзы

Джон Пендри, Дэвид Смит
«В мире науки» №11, 2006

Об авторах

Джон Пендри (John B. Pendry) и Дэвид Смит (David R. Smith) — члены группы исследователей, получившей в 2005 г. за вклад в изучение метаматериалов приз им. Декарта. Они вместе участвовали в разработке таких материалов с 2000 г., причем Пендри сосредоточился на теории, а Смит на экспериментах. Пендри — профессор физики в Имперском колледже в Лондоне, и в последнее время его главным интересом были электромагнитные явления, а также квантовое трение, перенос тепла между наноструктурами и квантование теплопроводности. Смит — профессор электротехники и компьютерной техники в Университете Дьюка. Он изучает распространение электромагнитных волн в необычных материалах и в настоящее время сотрудничает с несколькими компаниями, чтобы выявить и разработать новые применения метаматериалов и материалов с отрицательным преломлением.

Построенная из метаматериала с удивительными оптическими свойствами, суперлинза может создавать изображения с деталями меньше длины волны используемого света.

Почти 40 лет назад советский ученый Виктор Веселаго выдвинул гипотезу о существовании материалов с отрицательным показателем преломления (УФН, 1967, т. 92, с. 517). Световые волны в них должны двигаться против направления распространения луча и вообще вести себя удивительным образом, линзы же из этих материалов — обладать волшебными свойствами и непревзойденными характеристиками. Однако у всех известных веществ показатель преломления положителен: за нескольких лет интенсивных поисков Веселаго не нашел ни одного материала с подходящими электромагнитными свойствами, и его гипотеза была забыта. О ней вспомнили лишь в начале XXI в. (см.: Теория и практика Виктора Веселаго).

Благодаря последним достижениям в области материаловедения идея Веселаго была возрождена. Электромагнитные свойства веществ определяются особенностями образующих их атомов и молекул, обладающих довольно узким диапазоном характеристик. Поэтому свойства миллионов известных нам материалов не так уж разнообразны. Однако в середине 1990-х гг. ученые из Центра технологии материалов им. Маркони в Англии занялись созданием метаматериалов, которые состоят из макроскопических элементов и рассеивают электромагнитные волны совсем не так, как любые известные вещества.

В 2000 г. Дэвид Смит вместе с коллегами из Калифорнийского университета в Сан-Диего изготовил метаматериал с отрицательным показателем преломления. Поведение света в нем оказалось настолько странным, что теоретикам пришлось переписать книги по электромагнитным свойствам веществ. Экспериментаторы уже занимаются разработкой технологий, в которых используются удивительные свойства метаматериалов, и создают суперлинзы, позволяющие получать изображения с деталями меньше длины волны используемого света. С их помощью можно было бы делать микросхемы с наноскопическими элементами и записывать на оптические диски огромные объемы информации.

Отрицательное преломление

Куб метаматериала представляет собой трехмерную матрицу, образованную медными проводниками и кольцами с разрезом. Микроволны с частотами около 10 ГГц ведут себя в таком кубе необычно, потому что для них куб имеет отрицательный показатель преломления. Шаг решетки — 2,68 мм, или около 0,1 дюйма (изображение с сайта www.sciam.ru)
Куб метаматериала представляет собой трехмерную матрицу, образованную медными проводниками и кольцами с разрезом. Микроволны с частотами около 10 ГГц ведут себя в таком кубе необычно, потому что для них куб имеет отрицательный показатель преломления. Шаг решетки — 2,68 мм, или около 0,1 дюйма (изображение с сайта www.sciam.ru)

Чтобы понять, как возникает отрицательное преломление, рассмотрим механизм взаимодействия электромагнитного излучения с веществом. Проходящая через него электромагнитная волна (например, луч света) заставляет двигаться электроны атомов или молекул. На это расходуется часть энергии волны, что влияет на ее свойства и характер распространения. Для получения требуемых электромагнитных характеристик исследователи подбирают химический состав материала.

Но как показывает пример метаматериалов, химия — не единственный путь получения интересных свойств вещества. Электромагнитный отклик материала можно «конструировать», создавая крошечные макроскопические структуры. Дело в том, что обычно длина электромагнитной волны на несколько порядков больше размеров атомов или молекул. Волна «видит» не отдельную молекулу или атом, а коллективную реакцию миллионов частиц. Это справедливо и для метаматериалов, элементы которых тоже значительно меньше длины волны.

Поле электромагнитных волн, что следует из их названия, имеет как электрическую, так и магнитную составляющую. Электроны в материале движутся вперед и назад под действием электрического поля и по кругу под действием магнитного. Степень взаимодействия определяется двумя характеристиками вещества: диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью 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 отрицательными ε и μ показатель преломления n должен быть меньше нуля. Отрицательные ε или μ 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 не так уж сложно.

Если толкнуть маятник рукой, он послушно переместится в направлении толчка и начнет колебаться с так называемой резонансной частотой. Подталкивая маятник в такт с качанием, можно увеличить амплитуду колебаний. 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.

Метаматериалы

Ключ к такого рода отрицательной реакции — резонанс, то есть стремление колебаться со специфической частотой. Он создается в метаматериале искусственно с помощью крошечных резонансных контуров, имитирующих отклик вещества на магнитное или электрическое поле. Например, в разорванном 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.

Обзор: метаматериалы

  • Материалы, построенные из специальным образом сформированных микроскопических структур, могут иметь электромагнитные свойства, отличающиеся от свойств любых веществ естественного происхождения. В частности, эти метаматериалы могут иметь отрицательный показатель преломления, а это означает, что они преломляют свет совершенно иным образом.

  • Слой материала с отрицательным преломлением может действовать как суперлинза, которая может превзойти существующие линзы с положительным преломлением. Такая суперлинза может создавать изображения с деталями, более мелкими, чем допускает дифракционный предел разрешения, который ограничивает работу всех оптических элементов с положительным показателем преломления.

  • Хотя большинство экспериментов с метаматериалами выполнено на частотах микроволн, в будущем эти материалы смогут работать и на более коротких, инфракрасных и оптических длинах волн.

  • Свободные электроны в таких контурах колеблются с резонансной 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.

    Первое экспериментальное подтверждение возможности создания материала с отрицательным показателем преломления было получено в 2000 г. в Калифорнийском университете в Сан-Диего (UCSD). Поскольку элементарные кирпичики метаматериала должны быть значительно меньше длины волны, исследователи работали с излучением сантиметрового диапазона и использовали элементы размером в несколько миллиметров.

    Конструирование свойств материала (изображение: «В мире науки»)
    Конструирование свойств материала (изображение: «В мире науки»)

    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 преломления. Для сравнения была изготовлена призма точно такой же формы из тефлона, у которого n = 1,4. Исследователи направили пучок СВЧ-излучения на грань призмы и измерили интенсивность волн, выходящих из нее разными углами. Как и ожидалось, пучок подвергся положительному преломлению на призме из тефлона и отрицательному на призме из метаматериала. Предположение Веселаго стало реальностью: материал с отрицательным показателем преломления был наконец получен. Или же нет?

    Желаемое или действительное?

    Эксперименты в UCSD наряду с замечательными новыми предсказаниями, которые физики делали о свойствах материалов с отрицательным показателем преломления, вызвали волну интереса среди других исследователей. Когда Веселаго высказал свою гипотезу, метаматериалов еще не было, и специалисты не стали тщательно исследовать феномен отрицательного преломления. Теперь они стали уделять ей гораздо больше внимания. Скептики спрашивали, не нарушают ли материалы с отрицательным показателем преломления фундаментальные законы физики. Если бы это оказалось так, то вся программа исследований была бы поставлена под сомнение.

    Самые горячие споры вызвал вопрос о скорости волны в сложном материале. Свет распространяется в вакууме с максимальной скоростью c = 300 тыс. км/с. Скорость света в материале меньше: v = c/n. Но что будет, если n отрицателен? Простая интерпретация формулы для скорости света показывает, что свет распространяется в обратном направлении.

    Странности отрицательного преломления (изображение: «В мире науки»)
    Странности отрицательного преломления (изображение: «В мире науки»)

    В более полном ответе учитывается, что волна имеет две скорости: фазовую и групповую. Чтобы понять их смысл, представьте себе импульс света, движущийся в среде. Он будет выглядеть примерно так: амплитуда волны возрастает до максимума в центре импульса, а затем снова спадает. Фазовая скорость — это скорость отдельных всплесков, а групповая скорость — это скорость, с которой движется огибающая импульса. Они не обязательно должны быть одинаковыми.

    Веселаго обнаружил, что в материале с отрицательным показателем преломления групповая и фазовая скорости имеют противоположные направления: отдельные максимумы и минимумы движутся назад, тогда как весь импульс перемещается вперед. Интересно рассмотреть, как будет себя вести непрерывный пучок света от источника (например, прожектора), погруженного в материал с отрицательным показателем преломления. Если бы можно было наблюдать отдельные колебания световой волны, то мы бы увидели, что они появляются на объекте, освещенном лучом, движутся назад и, в конечном счете, исчезают в прожекторе. Однако энергия светового пучка движется вперед, удаляясь от источника света. Именно в этом направлении фактически распространяется луч, несмотря на удивительное обратное движение его отдельных колебаний.

    Практически наблюдать отдельные колебания световой волны трудно, а форма импульса может быть очень сложной, так что физики, чтобы показать различие между фазовой и групповой скоростями, часто используют хитрый трюк. Когда две волны с немного разными длинами движутся в одном направлении, они интерферируют, и возникает картина биений, максимумы которых перемещаются с групповой скоростью.

    Применив этот прием к эксперименту UCSD по преломлению в 2002 г., Прашант Валанджу (Prashant М. Valanju) и его коллеги из Техасского университета в Остине наблюдали нечто любопытное. Преломляясь на границе сред с отрицательным и положительным показателем преломления, две волны с разными длинами отклонялись на немного разные углы. Картина биений получалась не такой, как следовало бы для лучей при отрицательном преломлении, а такой, какой должна быть при положительном преломлении. Сопоставляя картину биений с групповой скоростью, исследователи из Техаса заключили, что любая физически осуществимая волна должна испытывать положительное преломление. И хотя материал с отрицательным показателем преломления мог бы существовать, отрицательное преломление получить невозможно.

    Как же тогда объяснить результаты экспериментов в UCSD? Валанджу и многие другие исследователи приписывали наблюдаемое отрицательное преломление другим явлениям. Быть может, образец поглощал так много энергии, что волны выходили наружу только с узкой стороны призмы, имитируя отрицательное преломление? В конце концов, метаматериал UCSD действительно сильно поглощает излучение, а измерения проводились вблизи призмы. Поэтому гипотеза о поглощении выглядит вполне правдоподобно.

    Полученные выводы вызвали большое беспокойство: они могли обесценить не только эксперименты UCSD, но и весь круг явлений, предсказанных Веселаго. Однако после некоторых размышлений мы поняли, что полагаться на картину биений как на показатель групповой скорости нельзя: для двух волн, движущихся в разных направлениях, интерференционная картина никак не связана с групповой скоростью.

    В эксперименте, проведенном в Boeing Phantom Works в Сиэтле, использовались призмы из метаматериала и из тефлона (положительный показатель преломления), и было подтверждено явление отрицательного преломления. Тефлон преломлял микроволны под положительным углом (синяя линия), а метаматериал — под отрицательным углом (красная линия) (изображение: «В мире науки»)

    По мере того, как доводы критиков начали рушиться, появилось еще одно экспериментальное подтверждение отрицательного преломления. Группа Минаса Таниэлиана (Minas Tanielian) из компании Boeing Phantom Works в Сиэтле повторила эксперимент UCSD с призмой из метаматериала с очень низким поглощением. Кроме того, датчик был расположен намного дальше от призмы, чтобы поглощение в метаматериале нельзя было перепутать с отрицательным преломлением луча. Высочайшее качество новых данных положило конец сомнениям в существовании отрицательного преломления.

    Продолжение следует

    Когда дым сражения рассеялся, мы начали понимать, что замечательная история, которую рассказал Веселаго, была не последним словом о материалах с отрицательным показателем преломления. Советский ученый пользовался методом геометрического построения световых лучей с учетом отражения и преломления на границах различных материалов. Этот мощный прием помогает понять, например, почему объекты в бассейне кажутся нам ближе к поверхности, чем на самом деле, и почему наполовину погруженный в жидкость карандаш представляется изогнутым. Все дело в том, что коэффициент преломления воды (n = 1,3) больше, чем у воздуха, и лучи света на границе между воздухом и водой преломляются. Показатель преломления приблизительно равен отношению реальной глубины к кажущейся.

    Веселаго использовал построение хода лучей, чтобы предсказать, что брус из материала с отрицательным показателем преломления n = −1 должен действовать как линза с уникальными свойствами. Большинство из нас знакомо с линзами из материалов с положительным преломлением — в камерах, лупах, микроскопах и телескопах. Они имеют фокусное расстояние, и место, где формируется изображение, зависит от сочетания фокусного расстояния и расстояния между объектом и линзой. Изображения обычно отличаются по размеру от объекта, и линзы работают лучше всего для объектов, лежащих на оси, проходящей через линзу. Линза Веселаго работает совершенно иначе, чем обычные: ее работа намного проще, она действует только на объекты, расположенные рядом с ней, и переносит все оптическое поле с одной стороны линзы на другую.

    Прямоугольный брусок из материала с отрицательным показателем преломления образует суперлинзу. Свет (желтые линии) от объекта (слева) преломляется на поверхности линзы и снова сходится, формируя перевернутое изображение внутри бруска. Выходя из него, свет преломляется снова и создает второе изображение (справа). Для некоторых метаматериалов изображение содержит детали, более мелкие, чем длина волны используемого света, что невозможно для линз с положительным преломлением (изображение: «В мире науки»)
    Суперлинза (изображение: «В мире науки»)

    Линза Веселаго столь необычна, что Джону Пендри (John B. Pendry) пришлось задаться вопросом: насколько совершенно она может работать? И в частности, каково может быть предельное разрешение линзы Веселаго? Оптические элементы с положительным показателем преломления ограничены дифракционным пределом — они могут разрешать детали, размер которых равен или больше длины волны света, отраженного от объекта. Дифракция накладывает окончательный предел на все системы создания изображения, наподобие наименьшего объекта, который можно рассмотреть в микроскоп, или наименьшего расстояния между двумя звездами, которое может разрешить телескоп. Дифракция определяет также наименьшую деталь, которую можно создать в процессе оптической литографии при производстве микрочипов (микросхем). Подобным же образом дифракция ограничивает количество информации, которую можно сохранить или прочитать на оптическом цифровом видеодиске (DVD). Способ обойти дифракционный предел мог бы решительным образом изменить технологии, позволив оптической литографии проникнуть в диапазон наноразмеров и, возможно, в сотни раз увеличить количество данных, сохраняемых на оптических дисках.

    Чтобы определить, действительно ли оптика с отрицательным преломлением могла бы превзойти обычную («положительную») оптику, нам следует продвинуться дальше, чем просто рассмотреть ход лучей. Прежний подход пренебрегает дифракцией, и таким образом его нельзя использовать, чтобы предсказать разрешение линз с отрицательным преломлением. Чтобы включить в рассмотрение дифракцию, нам пришлось использовать более точное описание электромагнитного поля.

    Суперлинза

    При более точном описании электромагнитные волны любых источников — излучающих атомов, радиоантенн или пучка света, — после прохождения через маленькое отверстие создают два разных типа полей: дальнее и ближнее поле. Дальнее поле, на что указывает его название, наблюдается вдали от объекта и улавливается линзой, формируя изображение объекта. К сожалению, это изображение содержит только грубую картину объекта, в которой дифракция ограничивает разрешение величиной длины волны. Ближнее поле содержит все мельчайшие детали объекта, но его интенсивность быстро падает с расстоянием. Линзы с положительным преломлением не дают никакого шанса на перехват чрезвычайно слабого ближнего поля и передачу его данных в изображение. Однако это не так для линз с отрицательным преломлением.

    Подробно исследовав, как ближние и дальние поля источника взаимодействуют с линзой Веселаго, Пендри в 2000 г. к всеобщему удивлению пришел к заключению, что линза, в принципе, может фокусировать как ближние, так и дальние поля. Если бы это ошеломляющее предсказание оказалось верным, это означало бы, что линза Веселаго, в отличие от всей другой известной оптики, не подчиняется дифракционному пределу. Поэтому плоскую структуру с отрицательным преломлением назвали суперлинзой.

    При последующем анализе мы и другие исследователи нашли, что разрешение суперлинзы ограничено качеством ее материала с отрицательным преломлением. Для лучшей работы требуется не только чтобы показатель преломления n был равен −1, но также чтобы ε и μ оба были равны −1. Линза, у которой эти условия не выполняются, имеет резко ухудшенное разрешение. Одновременное выполнение этих условий — очень серьезное требование. Но в 2004 г. Энтони Грбич (Anthony Grbic) и Джордж Элефтериадес (George V. Eleftheriades) из Университета Торонто экспериментально показали, что метаматериал, построенный так, чтобы иметь ε =−1, и μ =−1 в диапазоне радиочастот, действительно может разрешить объекты в масштабе меньшем, чем дифракционный предел. Их результат доказал, что суперлинзу можно построить, но можно ли ее создать для еще более коротких — оптических длин волн?

    Сложность масштабирования метаматериалов в область оптических длин волн имеет две стороны. Прежде всего, металлические проводящие элементы, образующие микросхемы метаматериала, типа проводников и колец с разрезом, нужно уменьшить до масштаба нанометров, чтобы они были меньше, чем длина волны видимого света (400–700 нм). Во вторых, короткие длины волн соответствуют более высоким частотам, а металлы на таких частотах обладают худшей проводимостью, подавляя таким образом резонансы, на которых основаны свойства метаматериалов. В 2005 г. Костас Соуколис (Costas Soukoulis) из университета штата Айова и Мартин Вегенер (Martin Wegener) из университета Карлсруэ в Германии экспериментально продемонстрировали, что можно сделать кольца с разрезами, которые работают при длинах волн всего 1,5 мкм. Несмотря на то, что при столь малых длинах волн резонанс на магнитной компоненте поля становится весьма слабым, с такими элементами все еще можно сформировать интересные метаматериалы.

    Тонкий слой серебра на очень малых расстояниях действует как суперлинза. Здесь изображение слова NANO получено с помощью сфокусированного пучка ионов (слева), оптическим путем без суперлинзы (в центре) и оптически, но со слоем серебра толщиной 35 нм (справа). Масштабный отрезок имеет длину 2000 нм. Суперлинза дает лучшее разрешение, чем длина волны используемого света в 365 нм (изображение: «В мире науки»)
    Тонкий слой серебра на очень малых расстояниях действует как суперлинза. Здесь изображение слова NANO получено с помощью сфокусированного пучка ионов (слева), оптическим путем без суперлинзы (в центре) и оптически, но со слоем серебра толщиной 35 нм (справа). Масштабный отрезок имеет длину 2000 нм. Суперлинза дает лучшее разрешение, чем длина волны используемого света в 365 нм (изображение: «В мире науки»)

    Но мы пока еще не можем изготовить материал, который при длинах волн видимого света приводит к μ =−1. К счастью, возможен компромисс. Когда расстояние между объектом и изображением намного меньше, чем длина волны, необходимо выполнить только условие ε =−1, а значением μ можно пренебречь. Как раз в прошлом году группа Ричарда Блэйки (Richard Blaikie) из университета Кентербери в Новой Зеландии и группа Ксианга Джанга (Xiang Zhang) из Калифорнийского университета в Беркли, следуя этим предписаниям, независимо продемонстрировали сверхразрешение в оптической системе. При оптических длинах волн собственные резонансы металла могут приводить к отрицательной диэлектрической постоянной (ε). Поэтому очень тонкий слой металла при длине волны, где ε =−1, может действовать как суперлинза. И Блэйки, и Джанг использовали слой серебра толщиной около 40 нм, чтобы получить изображение пучков света с длиной волны 365 нм, испускаемых сформированными отверстиями, меньшими, чем длина волны света. И хотя серебряная пленка далека от идеальной линзы, серебряная суперлинза существенно улучшала разрешение изображения, доказывая правильность основного принципа работы суперлинзы.

    Взгляд в будущее

    Демонстрация работы суперлинзы — лишь последнее из многих предсказаний свойств материалов с отрицательным преломлением, которые предстоит реализовать, а это признак быстрого прогресса, происходящего в этой все расширяющейся области. Возможность отрицательного преломления заставила физиков пересмотреть практически всю область электромагнетизма. И когда этот круг идей будет полностью понят, основные оптические явления, такие как преломление и дифракционный предел разрешения, придется пересмотреть с учетом новых неожиданных поворотов, связанных с материалами, дающими отрицательное преломление.

    Волшебство метаматериалов и магию отрицательного преломления все-таки необходимо «конвертировать» в прикладную технологию. Такой шаг потребует совершенствования конструкции метаматериалов и производства их по разумной цене. Сейчас в этой области действует множество исследовательских групп, энергично разрабатывающих способы решения проблемы.

    Теория и практика Виктора Веселаго

    Ольга Закутняя
    «В мире науки» №12, 2006

    Судьба Виктора Георгиевича Веселаго, доктора физико-математических наук, сотрудника ИОФАНа и профессора Московского физико-технического института сыграла с ним интересную шутку. Посвятив всю жизнь практике и эксперименту, международное признание он получил за теоретическое предсказание одного из интереснейших феноменов электродинамики.

    Судьбоносная случайность

    Виктор Георгиевич Веселаго родился 13 июня 1929 году на Украине и, по его словам, до определенного момента физикой не интересовался. А затем произошла одна из тех судьбоносных случайностей, которые меняют не только направление жизни человека, но и, в конечном счете, вектор развития науки. В седьмом классе мальчик заболел и, чтобы скоротать время, стал читать все книги подряд. Среди них оказалась и «Что такое радио?» Кина, прочитав которую, школьник не на шутку увлекся радиотехникой. В конце десятого класса, когда встал вопрос выбора вуза, один из приятелей обмолвился, что в Московском университете открывается новый физико-технический факультет, где помимо других специальностей есть и радиофизика.

    Абитуриентам ФТФ МГУ предстояло выдержать «марафон» из девяти экзаменов. На первом же из них — письменной математике — Веселаго получил «двойку»... Сегодня он объясняет такой «конфуз» тем, что просто растерялся, оказавшись в огромной аудитории, где чувствовал себя в буквальном смысле слова песчинкой. На следующий день, когда он пришел забирать документы, заместитель декана Борис Осипович Солоноуц (которого за глаза называли просто БОС) посоветовал ему все-таки прийти на следующий экзамен. Поскольку терять было нечего, молодой человек так и поступил. Все остальные восемь экзаменов сдал на пятерки и был принят. Уже потом, спустя много лет, выяснилось, что таких «неудачников» оказалось довольно много, и деканат решил не отсеивать абитуриентов по результату первого экзамена.

    Виктор Георгиевич Веселаго, доктор физико-математических наук, сотрудник ИОФАНа и профессор МФТИ (фото с сайта www.sciam.ru)
    Виктор Георгиевич Веселаго, доктор физико-математических наук, сотрудник ИОФАНа и профессор МФТИ (фото с сайта www.sciam.ru)

    Затем были четыре года учебы, которые сейчас Виктор Георгиевич называет самым счастливым временем своей жизни. Студентам читали лекции такие светила, как Петр Леонидович Капица, Лев Давидович Ландау... Летнюю практику Виктор Веселаго проходил на радиоастрономической станции в Крыму, где познакомился с ее руководителем, сотрудником ФИАНа профессором Семеном Эммануиловичем Хайкиным. Оказалось, что именно он написал ту самую книгу «Что такое радио?», подписавшись псевдонимом Кин.

    В 1951 году физико-технический факультет МГУ был закрыт — он «перерос» в Московский физико-технический институт, а студентов бывшего ФТФ распределили по другим факультетам. Виктор Георгиевич оказался на физическом факультете МГУ и формально окончил именно его, но считает себя выпускником Физтеха. Дипломную работу Веселаго защищал у Александра Михайловича Прохорова в Физическом институте им. П.Н.Лебедева, где потом и продолжил работать под его руководством. Сначала — в ФИАНе, а с 1982 года и по сей день — в отпочковавшемся от него Институте общей физики (ИОФАНе, который сейчас носит имя А.М.Прохорова).

    Строительство «Соленоида»

    Для получения сверхсильных магнитных полей в 1960-х годы в ФИАНе шло строительство установки под названием «Соленоид». Проектированием занимался ГИПРОНИИ, но основные элементы проекта Виктор Георгиевич разрабатывал сам. Он до сих пор считает, что одним из его важнейших достижений, помимо научных, стал пандус, позволяющий завозить на первый этаж тележки с тяжелым оборудованием. За создание установки для получения сильных магнитных полей Веселаго вместе с рядом сотрудников ФИАН и других научных организаций получил в 1974 году Государственную премию.

    Левые и правые

    В 1960-е годы Виктор Георгиевич заинтересовался материалами, которые одновременно являются и полупроводниками, и ферромагнетиками. В 1967 году в журнале «Успехи физических наук» (УФН) он опубликовал статью под названием «Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ε и μ», где впервые был введен термин «вещества с отрицательным показателем преломления n» и описывались их возможные свойства.

    Как объяснил ученый, полупроводниковые свойства описываются через величину эпсилон (ε) — диэлектрическую проницаемость, а магнитные свойства через величину мю (μ) — магнитную проницаемость. Названные величины, как правило, положительны, хотя известны вещества, где ε отрицательно, а μ положительно, или наоборот. Веселаго задался вопросом: что будет, если обе величины будут отрицательными? С математической точки зрения такое возможно, а с физической? Виктор Георгиевич показал, что подобное состояние не противоречит законам природы, но электродинамика таких материалов заметно отличается от тех, где и одновременно больше нуля. Прежде всего тем, что в них фазовая и групповая скорости электромагнитного колебания направлены в разные стороны (в обычной среде — в одну сторону).

    Материалы с отрицательным коэффициентом преломления Веселаго назвал «левыми», а с положительным — соответственно, «правыми», исходя из взаимного расположения тройки векторов, характеризирующих распространение электромагнитных колебаний. Преломление на границе двух таких сред происходит зеркально относительно оси z.

    Теоретически обосновав свои идеи, Виктор Георгиевич попытался реализовать их на практике, в частности, в магнитных полупроводниках. Однако получить искомый материал не удалось. И только в 2000 г. группа ученых из Калифорнийского университета в Сан-Диего в США, использовав композитную среду, доказала, что отрицательное преломление возможно. Исследования Виктора Веселаго не только положили начало новому научному направлению (см.: Д. Пэндри, Д. Смит. В поисках суперлинзы), но и позволили уточнить некоторые физические формулы, описывающие электродинамику веществ. Дело в том, что целый ряд формул, приводимых в учебниках, применим лишь в так называемом немагнитном приближении, то есть тогда, когда магнитная проницаемость равняется единице, а именно — для частного случая немагнитных материалов. Но для веществ, магнитная проницаемость которых отлична от единицы или отрицательна, нужны другие, более общие выражения. Указание на это обстоятельство Веселаго также считает важным результатом своей работы.

    Шаг в будущее

    После пророческой статьи исследователь, верный принципу менять тематику каждые 5–6 лет, увлекся новыми направлениями: магнитными жидкостями, фотомагнетизмом, сверхпроводимостью.

    В целом, по его воспоминаниям, за время работы в ФИАНе–ИОФАНе он прошел стандартный путь «советского ученого» — от студента-дипломника до доктора наук, заведующего отделом сильных магнитных полей, который к концу 1980-х годов включал около 70 человек, работавших по 5–7 разным направлениям. По сути, отдел был маленьким институтом в институте, который за это время выпустил более 30 кандидатов наук.

    Сейчас Виктор Георгиевич руководит лабораторией магнитных материалов отдела сильных магнитных полей ИОФАН им. А. М. Прохорова. За цикл работ «Основы электродинамики сред с отрицательным коэффициентом преломления» в 2004 году ему была присуждена премия имени академика В.А. Фока.

    Виктор Георгиевич более 40 лет преподает в Московском физико-техническом институте. Сейчас он — профессор кафедры прикладной физики факультета проблем физики и энергетики, читает созданный им курс «Основы физики колебаний», а также ведет семинарские и лабораторные занятия на кафедре общей физики.

    В своих научных изысканиях Веселаго придерживался принципа: менять направление исследований каждые 5–6 лет (фото с сайта www.sciam.ru)
    В своих научных изысканиях Веселаго придерживался принципа: менять направление исследований каждые 5–6 лет (фото с сайта www.sciam.ru)

    В. Г. Веселаго принадлежит к редкому типу ученых, для которых характерна широта научных интересов. Он прекрасный теоретик и одновременно — физик-экспериментатор, инженер, конструктор установок с сильными магнитными полями. Он талантлив и как профессор, сделавший большой вклад в преподавание общей физики в МФТИ, воспитавший множество учеников. Именно эти черты ученого делают личность Виктора Георгиевича такой привлекательной.

    Вторжение во всемирную паутину

    В последние 15 лет физик снова сменил или, вернее, расширил круг своих интересов, став инициатором двух сетевых проектов.

    В 1993 году была организована служба «Инфомаг», занимающаяся распространением среди ученых оглавлений научных и технических журналов и зарубежных научных электронных бюллетеней. Всё началось с того, что ИОФАН одним из первых был подключен к Интернету. Обзаведясь первым электронным адресом, Веселаго заинтересовался телеконференциями по физике и начал получать бюллетень Physics News Update, которую пересылал своим коллегам. Затем он организовал рассылку содержания и других научных журналов. Первыми изданиями, предоставившими информацию службе «Инфомаг», стали «Журнал экспериментальной и теоретической физики» (ЖЭТФ), «Письма в ЖЭТФ» и «Приборы и техника эксперимента». Сейчас список включает более 150 наименований.

    Успех «Инфомага» способствовал созданию и второго «детища» Веселаго — первого в России многопредметного электронного научного журнала «Исследовано в России», который начал свое существование в 1998 году. Он выходит только в электронном виде, и в нем публикуется около 250 статей в год, как из области естественных, так и гуманитарных наук.

    По мнению Виктора Георгиевича, потребность в электронных научных публикациях в России очень велика, причем не только в качестве самостоятельных единиц, но и в рамках сетевых версий печатных изданий. В России выходит несколько сот академических научных и технических журналов, но подавляющее большинство из них недоступно в электронном виде, и потому отечественные специалисты не имеют оперативного доступа к результатам работы своих коллег, что мешает плодотворному и оперативному диалогу ученых.

    Между тем сегодня как никогда ранее приобретает значение быстрый и своевременный доступ к новейшим открытиям, концепциям и разработкам: в современном мире выигрывает тот, кто владеет информацией.

    Литература:
    1. Reversing Light with Negative Refraction. John B. Pendry and David R. Smith // Physics Today. Vol. 57. No. 6. P. 37–43. June 2004.
    2. Negative-Refraction Metamaterials: Fundamental Principles and Applications. G. V. Eleftheriades and K. Balmain. Wiley-IEEE Press, 2005.

    Дополнительная информация о метаматериалах и отрицательном преломлении имеется на сайтах:

  • The Research Group of David R. Smith. Novel Electromagnetic Materials
  • Imperial College London. Department of Physics. Condensed Matter Theory Group (Photonics References)
  • Institute of Electronic Structure and Laser. Photonic, Phononic & Meta- Materials Group
  • Bilkent University. Nanotechnology Research Center
  • Metamaterials


    Комментировать

  •  


    при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия