Історія шапки-невидимки

Віктор Георгійович Веселаго тривалий час займався експериментальними дослідженнями магнітних речовин і сильних магнітних полів. Але у світовому науковому співтоваристві він став знаменитий відразу завдяки одній невеликій, суто теоретичній статті з електродинаміки, опублікованій в далекому 1967 році. Він передбачив існування матеріалів, з яких можна зробити шапку-невидимку.

На початку 2001 року вдома у Віктора Веселаго, завлабораторією магнітних матеріалів відділу сильних магнітних полів Інституту загальної фізики РАН (ІОФАН) ім.О.М. Прохорова, пролунав дзвінок телефону. «Професоре, — сказав англійською голос у слухавці. — Вас турбують з журналу New Scientist. Ми б хотіли отримати ваш коментар з приводу експериментів американських вчених Сміта і Шульца, описаних у журналі Science, який щойно вийшов. Здається, їм вдалося створити матеріал, який ви теоретично передбачили більше тридцяти років тому «.

Вправа для розуму

Після закінчення школи, де він всерйоз захопився радіотехнікою, Веселаго вступив на щойно створений фізико-технічний факультет МДУ (пізніше став самостійним вузом — МФТІ). Диплом він захистив у ФІАН під керівництвом А.М. Прохорова (майбутнього лауреата Нобелівської премії 1964 року з фізики), а потім продовжив роботу в інституті вже як науковий співробітник.

У 1960-х роках він зацікавився магнітними напівпровідниками — матеріалами, які проявляють властивості як ферромагнетиків, так і напівпровідників (їх провідність змінюється при зміні магнітного поля). «Є такий електровакуумний прилад — лампа біжучої хвилі, він використовується як підсилювач СВЧ-сигналів, — пояснює професор Веселаго. — Посилення тут відбувається за рахунок взаємодії електронів з електромагнітною хвилею. Я подумав, що можна було б спробувати створити такий прилад у твердотільному варіанті, а для цього потрібен був матеріал, який сильно уповільнював швидкість поширення електромагнітної хвилі, тобто з дуже високим показником заломлення. Показник заломлення (n) визначається як квадратний корінь з твору діелектричної проникності (^) і магнітної проникності (^). Ідея з магнітним напівпровідником не виправдала себе (потрібний режим роботи підібрати не вдалося), але змусила мене уважно розглянути речовини з різними порожніми, і позитивними, і негативними. Речовини з обома позитивними величинами — це добре відомі звичайні діелектрики. З позитивним порожнім і негативним — ферромагнетики. З негативним порожнім і позитивним — плазма. А ось речовин з негативними поглядами тоді відомо не було. Листок з формулою показника заломлення лежав у мене на столі, я дивився на нього і раптом подумав: але ж у такому випадку і сам показник переломлення може бути негативним. І не тільки з точки зору математики! «.

«Праві» і «ліві»

Що ми побачимо, якщо подивимося на матеріал з негативним показником заломлення

Переломлення світла — звичне явище, добре відоме всім, хто хоч раз дивився на гру сонячних променів на гладкій поверхні ставка. Але ось ефекти, що виникають у середовищі з негативним показником заломлення («лівому» середовищі), складно уявити — настільки вони суперечать загальноприйнятим поняттям про поведінку світла. Ось деякі з них.

Проти здорового глузду

Такий висновок був вкрай незвичним, оскільки в усіх підручниках передбачалося, що показник заломлення будь-якого середовища — це завжди позитивна величина. Своїми міркуваннями, які здалися йому дуже важливими, Віктор поділився з колегами. Але вчені, завантажені роботою, сприйняли його висновки як «розминку для розуму», абстракцію, яка не мала ніякого фізичного сенсу. І тоді Веселаго написав невелику статтю «Електродинаміка речовин з одночасно негативними значеннями порожніх», де показав, що наявність таких речовин не суперечить жодним законам фізики, і описав їх незвичайні властивості. Матеріали з негативним коефіцієнтом заломлення в статті були названі «лівими», а звичайні, з позитивним, — «правими» (за орієнтацією векторів, що характеризують електромагнітну хвилю). «Насправді мені не першому прийшла в голову ця ідея, — говорить професор Веселаго. — Про це міркував ще академік С.Л. Мандельштам, але виключно в математичному плані. Розглядав їх і Д.В. Сивухін, але в свій знаменитий підручник він ці міркування не включив «.

Лінзи Веселаго

Матеріал з ^ = -1,   = -1 і від’ємним показником заломлення n = -1 можна використовувати для створення так званої лінзи Веселаго. Плоска платівка «лівого» середовища повністю переносить оптичне поле з одного боку на інший, створюючи точне, без всяких спотворень, зображення. У такої лінзи, на відміну від звичайної, відсутня оптична вісь. Вона не здатна сфокусувати паралельний пучок світла, зате за рахунок фокусування ближнього поля через неї можна розглянути деталі, менші за розміром, ніж довжина хвилі світла (дифракційна межа).

У журналі «Успіхи фізичних наук» (УФН) статтю також сприйняли як гіпотетичні міркування. «Я представив свою доповідь на міжнародній конференції в Москві, — згадує Віктор Георгійович, — і отримав запрошення виступити з цієї теми на кількох інших конференціях — в Італії, Франції та США. Після моїх доповідей на цих конференціях темою зацікавилися, і я підготував ще одну статтю до збірки. Але високе начальство ФІАН, дізнавшись про це, наполегливо порекомендувало мені не займатися всякою дурницею і не відволікатися від основної роботи у відділі сильних магнітних полів, де ми створювали велику експериментальну установку «Соленоїд». У підсумку ця тематика була майже забута на довгі три десятиліття «.

Від теорії до експерименту

Стаття «Експериментальне підтвердження негативного показника заломлення» Девіда Сміта, Шелдона Шульца і Річарда Шелбі, дослідників з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго, вийшла 2001 року в авторитетному журналі Science і справила в науковому співтоваристві ефект бомби, що розірвалася. У статті дослідники показали, як, використовуючи провідні доріжки і незамкнуті котушки-резонатори для управління електричними та магнітними властивостями середовища, можна сконструювати композиційний матеріал з негативним показником заломлення для довжини хвилі близько 3 см. Такі складові матеріали, властивості яких визначаються не їх хімічним складом, а структурою, називають метаматеріалами. А оскільки експериментатори вже в другому абзаці статті посилалися на ту саму статтю 1967 року, це остаточно закріпило пріоритет винаходу таких матеріалів за Віктором Веселаго. Інтерес до теми був настільки високий, що ця стаття стала найбільш цитованою за всю історію журналу УФН, який видається з 1918 року.

А в 2006 році один з авторів першої статті, Девід Сміт, який до того часу перейшов в Університет Дюка, разом зі своїм колегою по університету Девідом Шурігом і фізиком Джоном Пендрі з Імперського коледжу в Лондоні, опублікували в Science статтю «Управління електромагнітними полями». У ній вони показали кільцеву конструкцію з метаматеріалу з негативним показником заломлення, яка змушує електромагнітні хвилі огинати предмет, що знаходиться в центрі. А це не що інше, як шапка-невидимка в самому буквальному сенсі цього слова. Правда, поки для сантиметрового діапазону, але ж це тільки початок.

Як працює шапка-невидимка

Якщо висвітлити предмет, порівняний за розміром з довжиною хвилі, пучком мікрохвиль, ми побачимо його за рахунок відображення частини випромінювання. Але якщо оточити предмет «шапкою-невидимкою», виготовленою з метаматеріалу з негативним показником заломлення, пучок огинатиме предмет, і він стане повністю невидимий. Такий експеримент був продемонстрований дослідниками з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго.

Світло, радіо, звук, прибій

Технологія метаматеріалів з негативним показником заломлення зараз дуже активно розвивається. І не тільки тому, що це цікава наука, а й тому, що результати в цій сфері можуть призвести до цікавих рішень у прикладних галузях. «Публіка чекає шапку-невидимку, військові — ідеальний камуфляж і невидиму радаром техніку, — каже Віктор Веселаго. — Але я не думаю, що найближчим часом варто очікувати чогось подібного. Зате вже є ряд дуже цікавих розробок в області матеріалів з негативним показником заломлення не для електромагнітних, а для сейсмічних хвиль. Достатньо побудувати таку структуру навколо будівлі, і хвилі, породжені землетрусом, будуть огинати його. А вчені з Інституту Френеля в Марселі і Ліверпульського університету вже кілька років розробляють метаматеріали такого типу, здатні захистити прибережні споруди від руйнівних приливних, штормових хвиль і цунамі. І звичайно, моя мрія — це матеріали з негативним показником заломлення для оптичного діапазону, які зроблять реальністю суперлінзи для оптичних приладів з надвисокою роздільною здатністю «.

Невидимі будинки

Принцип «невидимості», що реалізується за допомогою метаматеріалів з негативним показником заломлення, застосовний не тільки в оптиці і радіофізиці, але і в акустиці. Вчені покладають великі надії на створення структур, які могли б «маскувати» важливі споруди від сейсмічних хвиль при землетрусах. Експерименти групи дослідників з Інституту Френеля і Університету Екс-Марсель показали, що розміщення в ґрунті декількох регулярних рядів пустотілих циліндрів ламає і відображає сейсмічні хвилі.