Шапка-невидимка в оптическом диапазоне: первые экспериментальные результаты

Рис. 1. Две структуры из концентрических колец с объектом внутри при освещении белым светом (вверху) и при пропускании «плоского света» с длиной волны 532 нм (внизу). Изображение из обсуждаемой статьи
Рис. 1. Две структуры из концентрических колец с объектом внутри при освещении белым светом (вверху) и при пропускании «плоского света» с длиной волны 532 нм (внизу). Изображение из обсуждаемой статьи

Изготовлено устройство, которое работает как миниатюрная шапка-невидимка в оптическом диапазоне — правда, пока только на одной длине волны и лишь для «плоского света», да и сама «шапка» остается полупрозрачной.

В последние год-два в научных статьях стала активно обсуждаться возможность создания устройства, которое делало бы предметы невидимыми для постороннего глаза — то есть «шапки-невидимки» в буквальном смысле слова. В идеале, такое устройство должно скрывать от постороннего наблюдателя и себя, и помещенный внутрь объект. Наблюдатель не должен ничего заметить, с какой бы стороны он ни посмотрел и каким бы светом ни освещал «шапку». Несмотря на то, что теоретических препятствий для создания такого устройства не видно (см. подробности в заметке Возможность существования плаща-невидимки сведена к математической теореме), осуществить это на практике очень непросто.

Шапка-невидимка должна заставить свет как бы «обтекать» спрятанный предмет, а такое управление световыми волнами возможно только при очень необычных электрических и магнитных свойствах среды. Ни у одного из встречающихся в природе веществ таких свойств нет, и поэтому их приходится изготавливать искусственно. Такие среды — а точнее, сложные периодические конструкции, названные метаматериалами — начали создавать только в конце 1990-х годов. Бурный прогресс в этой области привел к тому, что год назад ученым удалось-таки создать плащ-невидимку, правда только для микроволнового излучения, длина волны которого во много раз больше, чем у видимого света.

Уменьшение длины волны света, для которого «работает» устройство, оказалось непростым делом. В принципе, уже созданы метаматериалы, работающие в ближнем инфракрасном диапазоне, но они, к сожалению, слишком сильно поглощают свет и поэтому совсем не годятся для шапки-невидимки. Избежать этого можно с помощью сложной «настройки» магнитных свойств метаматериала, но в оптическом диапазоне это сделать очень трудно. Поэтому несколько месяцев назад Владимир Шалаев и его коллеги из Университета Пердью в США предложили для начала создать некую «упрощенную версию» шапки-невидимки, магнитные свойства которой вообще не требовалось настраивать.

Эта упрощенная шапка-невидимка двумерна, и прозрачна она должна быть не для настоящего света, а для потока поверхностных плазмонов, и причем только одной определенной длины волны. Плазмоны — это электромагнитные колебания плюс колебания электронов на поверхности металла, связанные друг с другом в единое целое и бегущие вдоль поверхности металла. Поток плазмонов еще иногда называют двумерным светом — это не совсем свет, но он похож на него; а при необходимости его можно порождать светом и превращать в свет той же частоты.

Не прошло и полугода, как эта идея была реализована в эксперименте. В трехстраничном кратком сообщении Игоря Смолянинова (Igor Smolyaninov) и его коллег из Мэрилендского университета (Колледж-Парк, США), появившемся на днях в архиве препринтов, сообщается о создании и успешном испытании устройства размером в несколько микрон, внутри которого удалось спрятать от «посторонних глаз» (а точнее, от «плазмонных лучей») маленькое колечко.

На верхней фотографии (см. рис. 1) показано, как выглядит плоская шапка-невидимка при освещении сверху обычным светом (на врезке — изображение, полученное в атомно-силовом микроскопе). Она представляет собой структуру из тонких концентрических колец полиметилметакрилата (это вещество, из которого делают оргстекло), нанесенных на золотую подложку. Эта структура простирается от радиуса r1 до радиуса r2, а объект, который требуется спрятать (в данном случае, маленькое широкое колечко), находится внутри радиуса r1.

На нижнем фото (рис. 1) показано, как та же система выглядит при освещении плазмонными лучами, порожденными зеленым светом с длиной волны 532 нм. Направление их движения показано стрелкой — из нижнего левого угла в правый верхний. Фотография же сделана при взгляде на эту плоскость сверху через обычный оптический микроскоп, и видны на ней не плазмонные лучи, а обычное оптическое свечение из тех мест, где они рассеиваются на препятствиях.

Рис. 2. Распределение плазмонного поля в искусственных цветах. Поток набегающих слева плазмонов обтекает центральную часть устройства, а затем смыкается снова и идет вперед. В центральную часть лучи почти не заходят. Изображение из обсуждаемой статьи
Рис. 2. Распределение плазмонного поля в искусственных цветах. Поток набегающих слева плазмонов обтекает центральную часть устройства, а затем смыкается снова и идет вперед. В центральную часть лучи почти не заходят. Изображение из обсуждаемой статьи

Сама концентрическая структура (то есть шапка-невидимка) на этом фото заметна хорошо, но то, что в ней спрятано, почти не видно. Это значит, что плазмонные лучи рассеиваются на шапке, но не рассеиваются на объекте внутри нее. Более детальное исследование показало, что плазмонные лучи действительно расходятся, обтекая спрятанный внутри объект, а потом снова соединяются и идут вперед как ни в чём не бывало (см. рис. 2).

Если бы мы могли видеть в плазмонных лучах, то, взглянув на эту картину из правого верхнего угла плоскости, на месте шапки увидели бы лишь едва заметное прозрачное пятно.

Повторим, что достигнутый результат пока очень далек от идеальной шапки-невидимки. Во-первых, относительная невидимость достигается только при освещении светом с определенной длиной волны. Достаточно изменить частоту световой волны — и невидимость пропадает. Для сравнения на врезке (рис. 1, нижнее фото) показана та же самая картина, но не оптимизированная для длины волны 532 нм — на ней внутренний объект хорошо просматривается, а значит, плазмонные лучи в этом случае попадают внутрь шапки и освещают спрятанный предмет.

Во-вторых, речь в этой работе идет всё же не о настоящем свете, а о потоке плазмонов, управлять которыми проще, чем светом. Именно с точки зрения плазмонов изготовленная концентрическая структура обладает столь необычными свойствами, что заставляет их как бы обтекать ее по бокам, не попадая внутрь. Обычный свет на этой «нарезке из оргстекла» просто рассеивался бы в разные стороны.

Наконец, даже в плазмонных лучах эта шапка всё еще не полностью прозрачна, а рассеивает на себе часть лучей. Впрочем, совсем недавно Владимир Шалаев и его коллеги в своем препринте arXiv:0707.3641 объяснили, как можно справиться с этой проблемой.

Тем не менее, даже такая не совсем настоящая шапка-невидимка — очень важный шаг на пути к оттачиванию оптических технологий, основанных на метаматериалах. Этот эксперимент доказывает, что и в оптическом диапазоне можно приготовить такую структуру, которая будет заставлять лучи, пусть и плазмонные, огибать предмет. Он подтверждает правдоподобность теоретических выкладок, а значит, внушает оптимизм в дальнейшем прогрессе в этой области.

Источник: I. I. Smolyaninov, Y. J. Hung, C. C. Davis. Electromagnetic cloaking in the visible frequency range // препринт arXiv:0709.2862 [physics.optics].

Подробнее про метаматериалы см.:
Дж. Пендри, Д. Смит. В поисках суперлинзы // «В мире науки» № 11, 2006.

Про поверхностные плазмоны и плазмонную оптику см. в популярных статьях:
1) М. Н. Либенсон. Поверхностные электромагнитные волны оптического диапазона // Соросовский Образовательный Журнал, 1996. № 10, с. 92–98.
2) М. Н. Либенсон. Поверхностные электромагнитные волны в оптике // Соросовский Образовательный Журнал, 1996. № 11, с. 103–110.
3) С. И. Валянский. Микроскоп на поверхностных плазмонах // Соросовский Образовательный Журнал, 1999. № 8, с. 76–82.
4) Подборка рассказов Максима Сухарева по наноплазмонике.

Игорь Иванов


14
Показать комментарии (14)
Свернуть комментарии (14)

  • seasea  | 27.09.2007 | 14:23 Ответить
    Называть эту технологию шапкой-невидимкой, по-моему, нельзя. Что это за невидимость, если сама шапка видна?
    Ответить
    • spark > seasea | 27.09.2007 | 14:27 Ответить
      Она не то, чтобы видна, она полупрозрачна, слабо заметна. А предмета в ней вообще не видно.

      Подождите, разовьется технология, она станет еще больше невидимой, а точнее еще менее заметной. Невидимость -- понятие относительное :)
      Ответить
      • PavelS > spark | 29.09.2007 | 02:09 Ответить
        Ну, в черном ящике тоже предмета не видно. :)
        Так что прикладное применение технологии ИМХО весьма туманно - если так делать "стелс", то уж проще было бы подавлять отражение (делать чернону), чем так.
        Ответить
        • spark > PavelS | 29.09.2007 | 14:26 Ответить
          Да кто спорит-то? Разумеется, нужно уменьшать заметность шапки, в частности, уменьшать рассеяние света на ней. Про это в заметке тоже написано.

          Вот тут все зацикливаются на военных технологиях. Это всё слишком зыбкие перспективы. Вначале это явление будет использоваться в прикладной физике, и для этого собственно физики и стараются, а про самолеты никто особо и не думает.

          Ну в качестве простейшей идеи. Пусть у вас есть шапка, практически прозрачная на одной длине волны, но хорошо заметная на других. Вы проводите какой-нибудь оптический эксперимент, в котором у вас есть лазерный луч, сфокусированный на объекте. Вам надо подойти к объкту как можно ближе, но перегораживать луч ни в коей мере нельзя (такие требования бывают). В этих условиях микодетектор, спрятанный в шапку-невидимку будет идеальным зондом.

          Очевидно, что в такой ситуации нам технология стелс ну совсем не в тему, нам нужна именно хорошая прозрачность. А если при этом 1% от лучей будет-таки рассеиваться, это не страшно.
          Ответить
  • britvin  | 27.09.2007 | 15:23 Ответить
    Как-то сразу не приходит в голову, где это можно будет применять (ну, кроме шпионажа и т.п.) ?
    Ответить
    • spark > britvin | 27.09.2007 | 15:26 Ответить
      Тссс!
      Ответить
    • masmart > britvin | 27.09.2007 | 17:12 Ответить
      можно видеокамеры на сцене прятать, например, когда спектакль снимаешь, или концерт. можно космические аппараты покрывать такой пленкой, чтобы не нагревались. Можно даже бретельки на лифчиках невидимыми делать - для эстетического удовлетворения:)..
      Ответить
    • Интуитивный логик > britvin | 27.09.2007 | 20:46 Ответить
      Для военных целей есесно.
      Ответить
      • britvin > Интуитивный логик | 27.09.2007 | 22:24 Ответить
        Не-е, для военных нельзя. Запретить, как хим.и бактериологическое.
        Ответить
  • Валерий Стенин  | 04.10.2007 | 18:44 Ответить
    Если так дальше пойдет дело, то эту технологию можно будет применять в военной промышленности. Например для создания невидимости пехоты и тяжелой артиллерии. Вполне возможно, что на эту разработку военное ведомство уже положило глаз, и возможно не отечественное.
    Ответить
  • PerepeL  | 09.10.2007 | 17:31 Ответить
    Хэй, вы о чем говорите, какие камеры, какие самолеты? По этой схеме свет снаружи огибает предмет и не падает на него. То есть внутри будет банально темно и ничего не видно =)
    Ответить
    • britvin > PerepeL | 09.10.2007 | 18:36 Ответить
      Можно делать этой "шапкой" выборочную невидимость - для определённых длин волн. Для беспилотных самолётов-шпионов - в самый раз...
      Ответить
      • PerepeL > britvin | 10.10.2007 | 10:40 Ответить
        Ну.. Если от радаров - то наверное да. Но тогда другой вопрос - для самолета критична его форма (ну, чтоб летал-то), а как расчитать распределение коэффициента преломления в толще "шапки" чтоб она направильной формы была и работала... Да и в общем того же стелса вполне хватает - какая радару разница, проглотился сигнал или дальше пошел - главное чтоб не отражался.
        Вот в корпоративном шпионаже наверное неоценимая штука будет. Маленький круглый катающийся робот-жучок, ориентирующийся по ультразвуку. Электростатика чтоб пыль не налипала... Хотя черт, поцарапается. Чего-то я расфантазировался =)
        Ответить
        • britvin > PerepeL | 10.10.2007 | 13:11 Ответить
          То-то и оно, что много может найтись таких фантазёров для внедрения в быт новых технологий. Однако, хотя прогресс, как говорится, и неудержим, но это тот случай, когда лучше поступить по имеющемуся прецеденту: клонирование людей запрещено - значит, можно запретить внедрение в быт и других этически сомнительных технологий, используя их лишь в каких-то очерченных лабораторных границах...
          Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»