Сказка часто становится былью. Ковры-самолеты, волшебные блюдца, в которых отражается далекая реальность, сапоги-скороходы и многие другие выдумки стали вполне обыденной реальностью. Теперь на очереди шапка-невидимка. По крайней мере, американский журнал «Наука» опубликовал статью, в которой изложены основные принципы действия практически идеального средства маскировки.

Проблемы невидимости

Проблемой оптической скрытности объектов занимаются ученые кафедры материаловедения Национальной лаборатории имени Лоуренса в университете Беркли. Руководит работами м-р Сян Чжан. Общая идея состоит в том, чтобы заставить свет огибать некий объект. Подобные разработки уже производились в прошлом, но успеха не дали по той причине, что предыдущие попытки могли отклонять лучи в узком угловом диапазоне. Полной оптической проницаемости или ее иллюзии достигнуть пока так и не удалось. Искажение картины позволяет производить локацию объекта (то есть его визуальное обнаружение). Проблему представляла и недостаточная гибкость маскирующих поверхностей. Всех этих недостатков лишен ультратонкий материал, разработанный в Беркли. «Плащ», изобретенный в Национальной лаборатории имени Лоуренса, гибок, но пока слишком дорог.

Принцип действия

Роль сказочников в наше время играют кинематографисты. В фильме «Хищник», Чужой (антагонистический персонаж) использует маскировочное устройство для того, чтобы скрытно приближаться к своим жертвам. Эффект далек от совершенства: пришельца выдают искажения света. Он не прозрачен (хотя обнаружить врага не так легко), на его месте наблюдается некое марево. Реальность превзошла самые смелые режиссерские мечтания. «Плащ», изобретенный в Национальной лаборатории имени Лоуренса, делает объект по-настоящему невидимым.

Принцип действия состоит в том, что множество микроскопических зеркал автоматически разворачиваются в направлении источника света. Примерно так же работает «столик для говорящей головы». Фокусник, окруженный снизу зеркалами, остается невидимым для зрителя за исключение возвышающейся над ними части тела. В условиях сложности рельефа и формы скрываемого объекта добиться такого эффекта очень сложно. Но все же возможно.

Технические параметры

Известно, что «плащ-невидимка» покрыт слоем фторида магния, на который нанесен узор из крошечных золотых кирпичиков-антенн толщиной в 30 нанометров. Это очень тонкая пленка, во много раз тоньше волоса. Общая толщина вместе с подложкой составляет 50 нанометров. «Кирпичики» представлены в шести различных размерах, в пределах от 30 до 220 нанометров в длину и от 90 до 175 нм в ширину. Благодаря этим микроантеннам существует возможность поворачивать зеркальные поверхности перпендикулярно направлению света и полностью его рассеивать. При этом учитывается и частота, и фаза излучения, - относительно начального параметра они повернуты на 180 градусов, что позволяет полностью его компенсировать.

При правильной настройке поверхностей полированный золотых плоскостей можно придать отраженному свету любой эффект. Он может изображать фон объекта (например, пол) или нечто совершенно другое. Если плащ-невидимка будет достаточно большим, теоретически им можно накрыть что угодно. К примеру, танк будет похожим на велосипед. Или его вообще будет не видно.

Практические перспективы

Исследования проводились в световом диапазоне с длиной волны 730 нм (ближняя инфракрасная область спектра). Наблюдалось практически идеальное отражение. Это научное достижение впечатляет и наводит на мысли о новом витке гонки вооружений. Однако думать о невидимых танках, ракетах, самолетах и прочих образцах смертоносной техники пока еще рановато. Дело в том, что эксперименты производились с неким объектом сложной пространственной конфигурации, величиной в 36 мкм в аппроксимированном диаметре. Если в дюймах, то это примерно одна тысячная. В миллиметрах… в общем, обычная песчинка, только очень маленькая. Именно ее обернули таинственным «плащом-невидимкой». Наука умалчивает о том, в какую сумму обошлось сделать ее оптически прозрачной.

Впрочем, когда-нибудь и это изобретение может получить практическое применение. К примеру, экраны кинотеатров в настоящее время должны быть идеально ровными, а в случае применения «умных кристаллов-микроантеннок» это требование окажется ненужным, и изображения можно будет проецировать на любые криволинейные поверхности без искажений.

Обмен жидкостью у большинства насекомых устроен не так, как у людей. Маленькие животные очень неохотно расстаются с драгоценной влагой, а потому даже микроскопические частицы воды, которые они выделяют в качестве своеобразного «пота», обладают рядом весьма интересных свойств. Ученые обратили внимание на то, что подобные выделения у цикадок (род Cicadella) способны изменять длины световых волн. Эта механика может лечь в основу маскировочных технологий будущего и позволит инженерам разработать самый настоящий плащ-невидимку!

Невидимость: наука учится у природы

Существует несколько способов достичь полной или частичной невидимости тела, и животные активно пользуются ими для маскировки в естественной среде обитания. Благодаря поглощению света крыльями цикадки ей удается становиться незаметной для хищников. Ученые из Университета штата Пенсильвания придумали синтетические материалы, которые имитируют микрочастицы, используемые насекомыми. Для этого они проделали в ткани наноотверстия для поглощения света, поступающего с любой стороны, в широком диапазоне частот.

Искусственные брохосомы, окрашенные специальным красителем

Как отмечают сами ученые, синтетические материалы помогли биологам наконец понять то, как цикадкам удается так хорошо маскироваться в дикой природе. Сами микрочастицы называются брохосомы: с помощью сложного пятиступенчатого электрохимического процесса, исследователям удалось создать их имитацию. Искусственный материал в результате способен поглощать 99% направленного света — от ультрафиолетового до близкого к инфракрасному, включая и видимый диапазон.

Когда исследователи решили испытать свое детище на практике, то поместили его на листья растения и изучили с помощью «взгляда божьей коровки» — устройства, ограничивающего зрительный спектр и позволяющего человеку видеть так же, как и одноименное насекомое. Результаты были впечатляющими: визуально отличить лист от лежащей на нем «добычи» было практически невозможно.

Значение изобретения

В настоящее время научное сообщество спорит по поводу того, можно ли сделать полностью невидимый материал. Один из авторов нового исследования, Так-Син Вонг, считает, что все дело в правильном подборе материалов под конкретные нужды — поглощающие материалы полезны не только как средство достижения оптической невидимости. Он приводит в пример оксид марганца, который в настоящее время широко используется в аккумуляторах и суперконденсаторах. Из-за высокой площади поверхности эта частица может создавать хороший аккумуляторый заряд и, как следствие, обеспечить ускоренное протекания химической реакции. Это пригодится для целого ряда задач: к примеру, телескопы смогут намного точнее мониторить глубины космоса, а солнечные батареи научатся эффективнее поглощать энергию света.

Оценка 1 Оценка 2 Оценка 3 Оценка 4 Оценка 5

К сегодняшнему дню развитие нашей цивилизации подошло к тому моменту, когда вековые мечты человечества в большинстве случаев уже реализованы на практике. Сапоги-скороходы, ковёр-самолёт, дудка-самогудка, скатерть-самобранка, свет-мой-зеркальце, в смысле яблочко-по-тарелочке, печь-самоход и многое другое нынче окружает наш ежедневный быт в качестве привычных вещей и сервисов – может быть, не совсем в том виде, в котором грезилось предком, но, согласитесь, уж точно не в худшем.

Нереализованными до сих пор остались лишь немногие сказочные "умные вещи". Про некоторые сказочные "технологии" вроде цветика-семицветика, золотой рыбки и волшебной щуки говорить не будем как о совсем уж завиральных идеях. Некоторые из сказочных идей, скорее всего, в ближайшее время на практике реализованы не будут, например, Кощеево бессмертие или молодильные яблочки - механизм старения человеческого организма, увы, оказался значительно сложнее чем технология упрятывания иглы в яйце да в Тридевятом царстве.

Однако в то же время многие сказочные технологии близки к воплощению в нашу повседневную реальность, только непонятно когда они станут массовыми. И сегодня мы рассмотрим современный уровень реализации невидимости – не в сказочной интерпретации и не в виде Копперфильдовских фокусов, но именно в плане готовности технологий невидимости к внедрению в жизнь.

Время, между тем, не стоит на месте. За последние годы учёные, исследователи и технологи добились значительных успехов, при этом порой речь даже не о невидимости как таковой - смежные идеи обещают не менее интересный эффект от внедрения.

Так что обсудить действительно есть что. Поехали.

Если разобраться по сути, "видимость" различных объектов зависит от степени отражения/поглощения этими объектами падающего на него света. Классический случай невидимости – это прохождение света сквозь объект без отражения и поглощения. Однако в последнее время наиболее перспективными с практической точки считаются разработки, обещающие достижение полной или частичной невидимости за счёт огибания объекта световыми волнами. Эффект в этом случае тот же – свет не поглощается, объект невидим.

Именно в этом направлении работают учёные из лаборатории Беркли (Berkeley Lab) и Калифорнийского университета (University of California, UC) в Беркли. Применяя современные наноматериалы, группе исследователей удалось сконструировать своеобразную "шапку-невидимку", способную скрыть расположенный под ней объект в видимом диапазоне. Сама "шапка-невидимка" при этом прозрачна, а вот расположенный под ней объект визуально действительно не обнаруживается - просвечивание лучом света показывает отражение, идентичное отражению луча от ровной поверхности.

Решение вопроса невидимости учёные нашли с помощью применения диэлектрических метаматериалов на базе наноструктурированного кремния. Метаматериалы, напомню, это искусственно создаваемые композитные вещества с отрицательным (или левосторонним) коэффициентом преломления. Принцип отрицательного преломления, наглядно продемонстрированный в правой части на рисунке ниже, в природе не встречается.

Интересно отметить, что ранее эта же группа учёных обвестила мир об открытии эффекта невидимости с помощью комплексных метаматериалов на базе металлов и диэлектриков, обладающих уникальными оптическими свойствами.

В тех экспериментах учёные работали с "наносетью", сотканной из перемежающихся слоёв серебра с фторидом магния и серебряных нанопроводов внутри пористого оксида алюминия. Именно такой металлический метаматериал позволил добиться недоступного в реальной природе эффекта – излучения света в обратном направлении.

К сожалению, чудесные свойства металлических метаматериалов успешно применимы лишь для достижения невидимости в диапазоне СВЧ (3-30 ГГц), в диапазоне видимых частот они неэффективны – сказывается слишком сильное поглощение света металлическими элементами. В новой оптической "шапке-невидимке" из Беркли металла нет совсем, лишь оптически прозрачные для видимого света диэлектрики.

Речь, правда, пока что идёт лишь о создании невидимости в инфракрасном диапаззоне, к тому же в наномасштабах: в экспериментах, о которых сообщает статья в Nature Materials, учёные накрывали своей "невидимкой" площадку 3,8 на 0,4 микрон, а невидимость под различными углами обзора наблюдалась в диапазоне волн 1400 - 1800 нм, что уже достаточно близко к инфракрасной границе видимого света. Невидимость демонстрировалась на прямоугольной кремниевой пластинке толщиной 250 нм, служащей своеобразным световодом, ограничивающем прохождение света в вертикальном направлении, но позволяющем беспрепятствено проходить в двух других измерениях.

Превращение кремниевой пластинки в метаматериал стало возможным благодаря созданию в ней перфорированной структуры с отверстиями диаметром 110 нм каждое. Именно такая структура "заставляет" свет огибать объект подобно тому как вода в ручье обтекает камень. Наглядно принцип действия этого эффекта поясняет размещённый ниже видеоролик.

Courtesy of Berkeley Labs

Несмотря на существенные органичения технологии в её нынешней реализации, учёные полны оптимизма на перспективу. Следующим этапом своих исследований они наметили достижение невидимости не в двух, а во всех трёх измерениях. К тому же благодаря полностью диэлектрической конструкции композиции учёные не видят преград для масштабирования технологии на диапазон видимых волн – главным образом, за счёт более тщательного изготовления. В целом же технология при переходе к массовому производству обещает быть относительно недорогой.

Итак, если закрыть глаза на масштабы и специфические оговорки по диапазону волн невидимости, можно сказать что к настоящему времени учёные с грехом пополам преуспели в создании эффекта невидимости с помощью метаматериалов с отрицательным индексом рефракции, благодаря которым излучение миллиметровых-сантиметровых, инфракрасного ив перспективе даже видимого диапазонов волн могут огибать "завёрнутый" объект как воздух лопасти вентилятора. Тем не менее, способ этот не без недостатоков даже в очень отдалённой перспективе практического внедрения. В частности, кроме существенных ограничений по габаритам маскируемых объектов – пока что речь лишь о сотнях нанометров, такая "шапка-невидимка" должна быть в непосредственном контакте со скрываемым объектом или в непосредственной к нему близости.

А что если взамен опытов с отрицательной рефракцией попробовать применить трансформационные оптические эффекты, которые даже при удалённом расположении позволят достичь невидимости и даже превратить маскируемый объект во что-то совершенно другое?

Вопросом реальности реализации такой задачи заинтересовалась группа учёных-теоретиков из научно-технологического университета Гонконга (Hong Kong University of Science and Technology). Результаты исследований, размещённые в статье Illusion Optics: The Optical Transformation of an Object into Another Object журнала Physical Review Letters, говорят о том, что это вполне возможно.

Правда, и в этом случае опять никуда не деться от применения метаматериалов. Основная суть идеи гонконгских учёных заключается в следующем: для достижения невидимости скрываемого объекта или даже формирования иллюзии другого объекта вместо настоящего можно использовать двойную структуру из разных метаматериалов. Сначала так называемый комплементарный промежуточный материал "оптически аннулирует" укрываемую область, затем "восстанавливающий" материал позволит превратить скрытый объект в "пустое место" или во что-то другое.

В первом случае – имитации исчезновения, скрытый объект, по мнению учёных, будет прозрачен как воздух, сквозь который, как в случае классической невидимости, можно будет видеть всё остальное. Во втором случае – превращения скрываемого объекта во что-то иное, потребуется применение более сложных техник оптического преобразования.

Впрочем, сами учёные пока что говорят о "превращения" сугубо в теоретическом ключе. Зато в качестве вполне реального и подтверждённого вычислениями преимущества перед другими технологиями невидимости, требующими непосредственного контакта с "колпаком невидимости", учёные называют возможность размещения двойной структуры метаматериалов даже на удалении от скрываемого/оптически трансформируемого объекта, при этом имеется теоретическая возможность дистанционного контроля и управления областью невидимости.

Увы, как и большинство теоретических исследований, идея двойной оптической трансформации с помощью метаматериалов пока имеет ряд проблем, не решённых на практике. Получение материалов с положительным коэффициентом рефракции действительно не представляет никакой производственной сложности, в то время как необходимые для практических экспериментов материалы с отрицательным индексом рефракции - структуры с эффектом фазовой задержки, по-прежнему известны более как объекты лабораторных исследований нежели массовые изделия.

Тем не менее, группа гонконгских учёных-теоретиков уже приступила к практическому воплощению идеи в содружестве с группой экспериментальных исследователей. Пока одна группа занимается экспериментами с электромагнитными волнами, другая группа исследует те же принципы в приложении к звуковым волнам. Есть надежда, что в случае удачных исследований со звуковыми волнами, экстраполяция результатов на более высокие частоты, включая видимый диапазон, пойдёт более быстрыми темпами.

На самом деле в мире насчитываются десятки научных коллективов, занимающихся вопросами практической реализации невидимости, в том числе, с помощью метаматериалов и в том числе в России. Другое дело, что приведённая выше пара примеров в целом показывает общий достигнутый уровень этих технологий: где-то уже идут эксперименты с невидимостью в наномасштабах, а где-то и вовсе пока речь об идеях, изложенных лишь на бумаге, в теоретическом виде.

Тем не менее, не удержусь от цитирования амбициозных планов гонконгских учёных – вот что они пишут в резюме своей статьи: This type of illusion device also enables people to see through walls.

Во как! Учитесь продавать идею на корню: технология ещё в теории, но уже сейчас говорят о "возможности видеть сквозь стены"! Высший пилотаж! Учёные из Беркли, кстати, гораздо сдержаннее комментируют будущее своего изобретения, хотя и они с удовольствием рассуждают о "новых типах микроскопов и базе для фотоэлектроники, способной стать основой быстрых компьютеров будущего".

Впрочем, также никто не питает иллюзий, что в случае удачного исхода экспериментов первыми к технологиям приложатся военные. Косвенным тому подтверждением также может служить тот факт, что исследования лаборатории в Беркли финансируются не только предствитетельством по науке при Министерстве энергетики США, но также исследовательским отделом армии США (U.S. Army Research Office). Вполне очевидно, что даже на данном этапе исследований даже металлические метаматериалы, делающие невидимыми объекты в микроволновых диапазонах волн, вполне могут вдохнуть вторую жизнь в проекты невидимых для радаров самолётов и другой военной техники. Что говорить про возможность создания поверхностей, невидимых для человеческого глаза, здесь у военных самое широкое поле для практического внедрения.

Гражданские, впрочем, также могут рассчитывать на неплохие перспективы применения невидимости, хотя, судя по темпам разработки, о настоящих шапках-невидимках пока говорить ещё очень и очень рано.

Скорее всего, первоначально технологии невидимости будут реализованы в виде миниатюрных устройств для технического применения, затем появятся более крупные образцы - скорее всего, с наборной структурой, и только в очень отдалённой перспективе можно говорить о достижении оптической невидимости в масштабах человеческого тела, танка, дома. Тем не менее, вряд ли кто-то сомневается в том, что из сказочных технологий невидимость покорится раньше чем, скажем, бессмертие. В конце концов, в случае невидимости речь идёт лишь об оттачивании и совершенствовании технологий.

Технология, которая применяется для того, что бы объекты сделать невидимыми в диапазоне видимого света, может быть использована для скрытия от вездесущих электронов некоторых частей электронных устройств. Это может привести к появлению электронных приборов, работающих на совершенно других принципах, чем современные электронные элементы: диоды,тиристоры, транзисторы.

Для реализации оптического “плаща-невидимки” используются так называемые метаматериалы, изготовленные из слоев различных искусственных материалов, обладающих уникальными физическими и оптическими свойствами. Поверхности этих метаматериалов заставляют лучи света преломляться и следовать по такой траектории, будто бы на их пути совсем не было никакого препятствия.

“Мы были вдохновлены идеей реализации оптической невидимости” - рассказывает Ганг Чен (Gang Chen), профессор в области машиностроения Массачусетского технологического института, который возглавлял группу, занимающуюся исследованиями “электронной невидимости. Идеи и технологии, разработанные группой Чена, используют в своих интересах тот факт, что электроны распространяются в материалах способом, который напоминает движение электромагнитных волн, к которым относятся и фотоны света.

Проведенное компьютерное моделирование позволило ученым рассчитать структуру метаматериала, который может “преломлять” поток электронов. Этим материалом оказались наночастицы, ядро которых состоит из материала одного вида и с оболочкой из материала другого вида. Но, в отличие от случая со светом и метаматериалом, электроны не обходят “стороной” эту наночастицу, а проходят сквозь нее с более высокой скоростью.

Когда электроны входят в эту наночастицу, траектории движения электронов изгибаются и затем изгибаются снова, когда эти электроны появляются с другой стороны частицы. В результате создается эффект, что частицы на пути электронов не существовало вообще. Пока эта идея работает только в теории, но исследователи сейчас работают над созданием физического устройства для подтверждения работоспособности идеи на практике.

Если данная идея заработает в реальном мире, то за счет использования такой технологии можно будет создать новые высокоэффективные электронные фильтры, датчики различных физических величин и многое другое. Поскольку компоненты компьютерных микросхем становятся все меньше и меньше, “мы должны придумать новую стратегию управления потоком электронов, электрическим током” - говорит Чен. - “И наш новый принцип является одним из наиболее подходящих для этого”.

Принцип, разработанный учеными из Массачусетса, может стать основой для изготовления нового вида электронного ключа, аналога транзистора, являющегося основой всей современной электроники. Этот ключ с помощью внешнего управляющего сигнала может становиться прозрачным и непрозрачным для потока электронов, беспрепятственно пропуская или препятствуя прохождению через него электрического тока.

“Мы сейчас находимся только в самом начале исследований” - рассказывает Чен. - “И мы пока не уверены как далеко нам удастся зайти, но то, что наша разработка имеет огромный потенциал для применения в будущем, ни у кого не вызывает сомнений”. Более подробная информация о проведенных группой Чена исследованиях и их результаты опубликованы в последнем выпуске журнала Physical Review Letters.

Возможность невидимости давно интересовала человечество, свидетельством чему служат различные легенды, сказки и научная фантастика о призраках, «плаще-невидимке» и «человеке-невидимке». Воплощение подобных идей в наше время — уже не фантастика, прежде всего благодаря прогрессу в технологиях изготовления (лучше сказать — конструирования) материалов с необычными и заранее заданными свойствами — метаматериалов и наноструктур. В прессе и в Интернете уже можно встретить весьма смелые проекты, вплоть до создания невидимого автомобиля. Однако, как пояснял Х. К. Андерсен в «Новом платье короля», не всем проектам в области видимости и невидимости следует доверять. Попробуем разобраться с принципиальными ограничениями и реальным положением дел в этой области. Но сначала следует определиться с терминологией — что можно и что нельзя считать невидимым.

Видимо-невидимо

Для оптического обнаружения объекта необходимо заметить различие в распределении светового излучения в двух случаях — при наличии объекта и в его отсутствие. То же относится и к радиоволнам, принадлежащим, как и световые волны, к электромагнитному излучению. Тем самым идеально невидимый объект не должен рассеивать электромагнитное излучение в диапазоне длин волн, регистрируемом наблюдателем на уровне интенсивности, превосходящем уровень шума. При активном обнаружении (например, с помощью радиолокационной станции) имеется специальный источник излучения, который связан с наблюдателем. При пассивном обнаружении источник излучения внешний, не зависящий от наблюдателя. Опять же при идеальной невидимости объект не должен рассеивать излучение в любом направлении.

Невидимость не следует смешивать с невозможностью распознавания объекта при его маскировке. Так, «волка в овечьей шкуре» нельзя, очевидно, назвать невидимым. Удивительные примеры маскировки (мимикрии) в животном мире приводятся в . Распространенные в военном деле дымовые завесы и маскировочные сети также не относятся к предмету данной статьи.

Иногда к невидимым причисляют объекты, чаще всего самолеты, при создании которых использованы технологии стелc (от англ. stealth — уловка, скрытность). Обычная здесь стратегия — снижение уровня отражения радиосигналов за счет выбора формы объекта, применение радиопоглощающих покрытий и перераспределение остаточного рассеянного излучения в узкие сектора в направлениях, где наблюдатель отсутствует (лучше всего вверх; еще одно специфическое требование связано с необходимостью минимизации инфракрасного излучения струй реактивных двигателей). Один из сравнительно дешевых вариантов — «обволакивание» объекта слоем плазмы, производимой специальным генератором плазмы. Однако и здесь есть ограничения. Прежде всего, просто невозможны покрытия, полностью поглощающие электромагнитное излучение. Действительно, коэффициент отражения на границе раздела двух сред пропорционален дроби, числитель которой — разность характеристик (показателей преломления и коэффициентов поглощения) в двух граничащих средах, а в знаменателе — их сумма. Поэтому при увеличении поглощения в маскирующем покрытии коэффициент отражения приближается к 100%. Это отвечает нашим повседневным наблюдениям, что ровная поверхность металла (поглощение излучения оптического диапазона в котором весьма велико) — очень хорошее зеркало. Другое ограничение связано с тем, что перераспределение остаточного рассеянного излучения оказывается неэффективным, если обнаружение осуществляется не одним наблюдателем, а их разветвленной сетью.

Здесь мы будем говорить только о макроскопических объектах, состоящих из большого числа атомов или молекул. Даже если допустить существование гипотетических материалов, полностью поглощающих любое падающее на них излучение (что, как уже указывалось, для электромагнитного излучения невозможно, но здесь этот аспект непринципиален), то, тем не менее, объект из такого материала не будет невидимым — можно обнаружить его тень, или провал в распределении интенсивности излучения по сравнению с имеющимся в отсутствие объекта. Наблюдая форму тени такого объекта при его освещении при различных направлениях излучения, можно даже восстановить форму объекта. Тем самым, для «идеальной невидимости» необходимо, чтобы объект не только не рассеивал, но и не поглощал излучение. Более строго, рассеяние и поглощение излучения в материале объекта должны быть точно такими же, как в окружающей среде. Но для ограниченных расстояний, например в воздухе, рассеяние и поглощение оптического излучения пренебрежимо малы! Есть ли выход из этого тупика?

Парад невидимок

Прежде всего напомним, что невидимость в оптике известна и уже сравнительно давно используется практически. Так, одной из первых важнейших задач, решавшихся в созданном в 1918 г. в Петрограде Государственном оптическом институте, было создание отечественного оптического стекла. Для этого требовалось, в частности, быстрое определение его показателя преломления без сложной традиционной процедуры обработки поверхности образца. Предложенный И. В. Обреимовым метод состоял в следующем . Исследуемое стекло измельчалось до крупинок размером около 0,5 мм и помещалось в кювету с плоскими стенками. Если затем налить в кювету какую-либо жидкость, то проходящий через кювету пучок света будет сильно рассеиваться из-за резкой неоднородности показателя преломления среды. Однако рассеяние исчезает, если жидкость обладает ровно тем же показателем преломления, что и стекло. Подобрать такую жидкость можно, смешивая, например, бензол с сероуглеродом. Соответственно, показатель преломления стекла определяется концентрацией смешиваемых жидкостей (когда известны их показатели преломления). Подобная невидимость прозрачности (рис. 1, а ) также имеет некоторые ограничения. Так, вследствие различия частотной дисперсии (зависимости показателя преломления от частоты или длины волны излучения) стекла и жидкости невидимость нарушается при изменении длины волны, в связи с чем излучение-«измеритель» должно обладать узким спектром. Тот же тип невидимости и у «человека-невидимки» Г. Уэллса. В природе почти невидимы медузы, показатель преломления которых близок к показателю преломления воды (значительную часть их объема заполняет так называемая мезоглея , студенистое вещество, сильно — до 97,5% — насыщенное водой). Существенно и то, что в этом варианте требуется совпадение показателя преломления окружающей среды и объекта во всем его объеме, что, очевидно, нелегко реализовать для произвольного маскируемого объекта.

Другой вариант невидимости, которую можно назвать невидимостью обтекания , иллюстрируется сказочным «плащом-невидимкой». Падающее на оболочку-«плащ» излучение должно «обтекать» его, восстанавливая после обтекания распределение интенсивности и волнового фронта независимо от свойств скрывающегося под «плащом» объекта (рис. 1, б ). Последнее означает, что «плащ» должен быть «безразмерным», то есть подходить к объектам с различными оптическими свойствами. В этом варианте исходная проблема заменяется следующими двумя. Во-первых, надо обеспечить невидимость уже не объекта, а «плаща». Во-вторых, необходимо предотвратить проникновение излучения внутрь объекта (в противоположность первому варианту). Технически проблема переносится на конструирование «плаща» с использованием современных метаматериалов, к которым мы обратимся чуть позже.

Вариант «активной невидимости» обсуждался в работе . В нем на окружающей скрываемый объект поверхности с одной стороны располагаются датчики излучения, а с другой — излучатели (рис. 1, в ). С помощью датчиков определяются характеристики падающего на поверхность излучения. Затем после обработки этой информации вычисляются характеристики полей для генерации излучателями волн, которые дали бы такое же распределение поля вне объекта, которое было бы в отсутствие объекта. Такой подход, по-видимому, мог бы иметь право на существование в случае акустических волн со сравнительно малой скоростью распространения. Однако в оптической области и применительно к коротким импульсам зондирующего объект излучения реальность воплощения схемы столь проблематична, что мы не будем обсуждать этот вариант далее.

Еще два варианта невидимости обсуждаются в обзоре . Первый из них основан на использовании оболочки с меньшей диэлектрической проницаемостью, чем у объекта. Тогда можно добиться того, чтобы суммарный дипольный момент — сумма произведений смещения зарядов под действием поля на величину заряда — объекта и оболочки обратился в нуль. Из-за этого мощность рассеиваемого излучения заметно уменьшится, но сохранение мультипольного излучения не позволяет говорить о полной невидимости. Другими недостатками данного варианта служат ограничение размера объекта микроскопическими значениями и необходимость подбора оболочки в зависимости от характеристик скрываемого объекта. Второй вариант требует расположения объекта вблизи поверхности цилиндрической «суперлинзы», изготовленной с применением метаматериалов с отрицательным показателем преломления (см. ниже). Мы не будем далее обсуждать эти варианты ввиду их ориентированности на конкретный скрываемый объект и, тем не менее, невозможности идеальной невидимости.

Классическое рассеяние света

Поскольку рассеяние электромагнитного излучения играет определяющую роль в проблеме невидимости, следует остановиться на этом вопросе подробнее. Вообще говоря, виды рассеяния излучения весьма многообразны, так что здесь мы ограничимся только классическим рэлеевским, или упругим (без изменения частоты излучения) рассеянием на неоднородностях сплошной среды. Пусть на среду падает почитаемая теоретиками плоская монохроматическая световая волна, приблизиться к которой реально в случае широкого пучка высокостабилизированного лазерного излучения. Быстрые (с оптической частотой) колебания электрической напряженности поля в волне возбуждают вынужденные колебания частиц среды, главным образом электронов, которые связаны с ядром и вместе образуют диполи. В свою очередь, каждый колеблющийся диполь будет излучать световые волны с той же частотой, но распространяющиеся в различных направлениях. В однородной среде с равномерным распределением диполей их суммарное излучение будет совпадать с исходной плоской волной (правда, изменится ее фазовая скорость), что объясняет, в частности, прямолинейность распространения света в среде. Однако в неоднородной среде полной компенсации волн с различными направлениями распространения не происходит, и это означает рассеяние излучения.

Интенсивность излучения возьмем небольшой, так что вносимые им изменения оптических свойств среды несущественны (область линейной оптики). Кроме того, будем считать среду стационарной (с не зависящими от времени характеристиками). Тогда справедлив так называемый принцип суперпозиции, согласно которому произвольный пакет излучения можно разложить на совокупность плоских монохроматических волн, распространяющихся в среде независимо друг от друга. Поэтому рассеянное излучение при возбуждении пакетом является простым наложением (с учетом фазовых соотношений) уже известного нам рассеянного излучения отдельных плоских волн. Оптические свойства среды характеризуются зависящими от координат r диэлектрической ε(r ) и магнитной μ(r ) проницаемостями.

Для естественных оптических сред в оптическом диапазоне длин волн магнитная проницаемость близка к единице. Если среда изотропна, ε и μ не зависят от направления распространения излучения. Но такая зависимость имеется для анизотропных сред, например, кристаллов, и тогда ε и μ становятся тензорами (см. ниже). Наконец, ε и μ вещественны для непоглощающих сред. Показатель преломления вводится соотношением n = √εμ, и при положительных ε и μ здесь берется арифметическое значение квадратного корня, n > 0. Коэффициент поглощения зависит от мнимых частей ε и μ, обращаясь в нуль при вещественных положительных проницаемостях.

Как установил Л. С. Мандельштам в 1907 г., в сплошной среде с пространственно постоянными оптическими характеристиками свет не рассеивается, для рассеяния необходимо нарушение оптической однородности . В изотропной среде речь может идти о неоднородностях показателя преломления и коэффициента поглощения. А в анизотропных средах, в которых оптические свойства среды разные для разных направлений распространения света, добавляется неоднородность ориентации молекул (микрочастиц) среды. Другие виды неоднородностей, например флуктуации температуры или плотности среды, будут приводить к рассеянию постольку, поскольку они сопровождаются неоднородностями показателя преломления. Отметим, что хотя на микромасштабах среда резко неоднородна и состоит из отдельных микрочастиц размеров, сопоставимых с расстояниями между ними, в целом среда не рассеивает излучения с длинами волн, значительно превышающими размеры микрочастиц. Другими словами, можно сказать, что неоднородности усредняются по объемам с линейными размерами, меньшими длины волны излучения.

Крушение идеалов

Возможна ли идеальная невидимость в указанном выше смысле? Давайте даже ослабим наши требования, заключив с наблюдателем джентльменское соглашение о работе только на одной фиксированной длине волны излучения (монохроматическое излучение). Пусть прозрачный (без поглощения) объект конечных размеров расположен в вакууме (или, в хорошем приближении, в воздухе). На него падает плоская монохроматическая волна, для которой наблюдатель не должен зарегистрировать рассеянное излучение. Спрашивается, возможно ли это при произвольном направлении падения волны?

В работе такая задача решалась в рамках так называемого первого борновского приближения (показатель преломления внутри объекта n (r ) всюду мало отличается от единицы), хотя результат имеет существенно большую область применимости. Ответ следующий. В общем случае рассеянное излучение может отсутствовать только для конечного числа направлений падения волны. Если же требовать его подавления для любого направления, то это возможно, только если

Это означает, что показатель преломления по всему объему объекта должен совпадать с показателем преломления окружающей среды (в данном случае вакуума), что отвечает невидимости прозрачности. Второй тип — невидимость обтекания — строго говоря, невозможен, причем даже в облегченных условиях чисто монохроматического излучения.

То, что рассеяние (включая отражение в обратном падению направлении) может отсутствовать при фиксированном направлении падения волны, не вызывает сомнений и широко используется на практике для просветления оптики. Например, в объективах с большим числом поверхностей для уменьшения доли вредного отражения излучения на поверхности наносят одну или несколько тонких пленок (их толщина соизмерима с длиной волны излучения). Параметры пленок — показатель преломления и толщину — выбирают так, чтобы при интерференции света, отражаемого от этих границ раздела, рассеяние излучения подавлялось. Степень подавления зависит от угла падения и высока для многослойных покрытий в сравнительно широком диапазоне углов падения и длин волн падающего излучения. Невозможность полностью подавить рассеяние излучения объекта с ограниченным пространственным изменением показателя преломления n (r ) для всех направлений его освещения можно пояснить следующим образом. Напомним смысл обратной задачи рассеяния, близкой к томографии. Она состоит в определении профиля n (r ) по регистрации рассеянного излучения при всевозможных направлениях падающей на объект волны. При этом оказывается, что решение такой задачи единственно — распределение показателя преломления объекта восстанавливается единственным образом. Но данным отсутствия рассеяния удовлетворяет очевидное решение (1). Тогда из-за единственности решения любое неоднородное распределение показателя преломления приведет к появлению рассеяния, по крайней мере для некоторых направлений падения волны на объект.

Если нельзя, но хочется

И все-таки вернемся к варианту невидимости обтекания для случая монохроматического излучения. В нем, на языке геометрической оптики, лучи огибают объект, не проникая в его центральную часть, за счет изгиба в покрывающей объект прозрачной (без поглощения) оболочке — «плаще» — с пространственно неоднородным показателем преломления. При этом прошедший оболочку луч является продолжением исходного, как это показано на рис. 1, б . Кроме того, набег фазы для изогнутых лучей должен совпадать с таким набегом для неизогнутых лучей в свободном пространстве, что требует применения сред с показателем преломления n

Элегантный рецепт нахождения пространственного распределения компонент тензоров проницаемостей в «плаще-невидимке», методически близкий подходам общей теории относительности, был предложен в ; более точно, такой рецепт содержался в опередившей свое время работе . В этом рецепте используется эквивалентность уравнений Максвелла для электромагнитного поля в криволинейной системе координат, с одной стороны, и в декартовых координатах (х, у, z ) с пространственно неоднородной прозрачной анизотропной средой, с другой стороны. Из-за анизотропии оптические или электродинамические свойства среды задаются не просто показателем преломления, а двумя тензорными величинами, т. е. квадратными таблицами 3 × 3 с компонентами — диэлектрической и магнитной проницаемостями. Опуская детали, приведем представленный в пример такого распределения для частного случая двумерной геометрии (цилиндрическая система координат, в которой вместо декартовых координат х, у, z используются прежняя координата z , радиус в ортогональной ей плоскости и угол , см. рис. 2):

Такие соотношения должны выполняться в цилиндрической области 0 b, где b и а — внешний и внутренний радиусы оболочки, b > а (см. рис. 1, б ).

Теперь зададимся вопросом, не противоречит ли этот результат сформулированному выше выводу о невозможности подавления рассеяния в случае пространственно неоднородной среды. Здесь надо заметить, что запрет относился к случаю малого или, как минимум, конечного пространственного изменения оптических характеристик. Например, вывод о единственности решения обратной задачи рассеяния нарушится, если мы окружим исследуемый объект идеальным зеркалом, которое исключает проникновение излучения внутрь объекта. Тогда любые изменения свойств объекта, спрятанного позади зеркальной стенки, никак не скажутся на рассеянии (отражении) излучения, падающего на зеркало, и единственность решения обратной задачи нарушится. Но идеальные зеркала возможны лишь при бесконечно больших по модулю значениях проницаемости. В противном случае поле частично проникает через зеркало, и указанный запрет вновь становится справедливым.

Из соотношения (3) нетрудно видеть, что при приближении радиальной координаты ρ к внутреннему радиусу оболочки а компоненты проницаемостей ε θ и μ θ стремятся к бесконечности. Так же ведут себя при этом и градиенты (скорости изменения) данных величин. Это эквивалентно наличию эффективного идеального цилиндрического зеркала радиуса а , не пропускающего излучение во внутреннюю область. Поэтому противоречия со строгим запретом здесь нет. Нарушение теоремы единственности иногда связывают и с тем, что она доказана в для изотропной среды. На наш взгляд, это ограничение непринципиально, если разрешить наблюдателю использовать диагностирующее излучение с произвольной поляризацией (направлением вектора напряженности электрического поля волны). С другой стороны, при строгом выполнении принятой формы оптической неоднородности (2)-(4) наличие эффективного зеркала оптически не обнаруживается, так что здесь можно было бы говорить о невидимости. Но, естественно, бесконечные значения проницаемости среды не реализуемы, и практически приходится довольствоваться лишь ограниченным диапазоном их изменения. Здесь помогает заключение еще одного «джентльменского соглашения» о фиксировании состояния поляризации диагностирующего излучения (из-за чего величина ряда компонент тензоров восприимчивости не влияет на распространение излучения) и то обстоятельство, что в большей степени это распространение определяется не двумя тензорами восприимчивостей по отдельности, а их произведением, т. е. тензором показателя преломления с элементами, зависящими от координаты ρ. Так, в приведен более простой, чем (2)-(4), вариант подобных распределений без сингулярностей (см. цветные линии на рис. 2), при котором, однако, возникает ослабленное отраженное излучение, так что, строго говоря, невидимость отсутствует.

Метаматериалы. Расчет и эксперимент

Конечно, в природе нет готовых сред с нужным распределением показателя преломления, и еще хуже дела обстоят с возможностями вариаций магнитной восприимчивости μ — в оптической области она, как правило, близка к единице, как указывалось выше. Однако в последнее время наблюдается поразительный прогресс в технологии создания искусственных сред с заранее заданными характеристиками . Искусственную среду можно составлять не из отдельных атомов или молекул, а из готовых микро- или наноструктур, например, вставляя в обычную диэлектрическую среду металлические стерженьки (проволочки) и разомкнутые кольцевые резонаторы. Такие элементы — «метаатомы» — действуют как аналоги электрических емкостей и индуктивностей с управляемыми значениями параметров. Если размеры элементов заметно меньше длины волны, то рассеяние излучения на них ослабляется до приемлемых величин, а усредненные по такому объему характеристики среды будут отвечать желаемым значениям. Необходимое изменение этих характеристик в пространстве останется уже делом техники.

Итак, остается лишь сконструировать среду, включающую указанные выше элементы. Но нужно вспомнить о масштабах. А именно, размеры таких элементов должны быть много меньше длины волны излучения. Напомним, что длины световых волн менее одного микрометра, и на сегодня технологий создания полного набора требуемых элементов субмикронного размера не существует. Другое дело — радиоволны, в частности, с длинами волн сантиметрового диапазона. Так, в работе «среда» оболочки создавалась под излучение с частотой ν = 8,5 ГГц, что соответствует длине волны λ = с /ν = 3,5 см (с — скорость света в вакууме). Основу составляла система из 10 концентрических цилиндрических слоев диэлектрика (рис. 2), которые разбивались на отдельные «элементарные» ячейки с введением в каждую ячейку разомкнутого кольцевого резонатора, изображенного на рис. 3.

Излучение распространялось перпендикулярно оси цилиндров. Помимо фиксирования длины волны излучения, ограничение накладывалось еще и на его поляризацию — вектору напряженности электрического поля волны позволялось быть только строго параллельным оси системы z . Результаты экспериментов и расчетов (задача решалась численно как двумерная) сведены на рис. 4. Оболочка располагалась непосредственно на поверхности маскируемого медного цилиндра с радиусом 25 мм.

Таким образом, расчеты и эксперименты свидетельствуют: при соблюдении ряда обременительных условий рассеяние радиоволн можно ослабить. В расчетах показано, что близкие результаты можно получить и для более простой в изготовлении оболочки из немагнитных метаматериалов, когда в диэлектрическую основу вставляются только металлические проволочки в форме вытянутых эллипсоидов. Но до сих пор мы «прятали» неподвижные объекты. А что будет, если объект, который нужно скрыть от наблюдателя, движется?

Исправляя упущение

Теперь пора вспомнить об еще одном — релятивистском — механизме рассеяния света. Дело в том, что к упомянутым выше неоднородностям среды, служащим причиной рассеяния излучения, следует добавить и неоднородность ее скорости движения . Поэтому объект со скоростью, отличной от скорости окружающей среды, будет рассеивать излучение. Пусть мы каким-то образом добились практически идеальной невидимости неподвижного объекта, например, медузы в неподвижной воде. Но, как подтверждает эксперимент Физо по измерению скорости света в движущейся воде , эффективный показатель преломления среды зависит от ее скорости движения. Тогда на поверхности медузы, движущейся относительно воды, возникнет отражение. Отраженное излучение обладает доплеровским сдвигом частоты и амплитудой, пропорциональной малому параметру v/c — отношению скорости движения объекта v к скорости света в вакууме с . Тем самым, хотя неподвижный объект невидим, он становится видимым при движении. Интегральная мощность рассеяния может быть оценена по простым формулам Френеля, но вид индикатрисы, или диаграммы направленности, оказывается нетривиальным, хотя и не зависящим от (малой) скорости движения . Как видно из рис. 5, a , для объекта с размерами, малыми по сравнению с длиной волны, диаграмма направленности колоколообразная, с максимумом в области зеркального отражения и спадом при отклонении от этого направления. При увеличении размеров объекта диаграмма направленности становится изрезанной со значительным числом пиков (рис. 5, д , в ). Анализ показывает, что для резкой границы объекта отраженный сигнал доступен наблюдению даже при значительных удалениях от объекта, а величина доплеровского сдвига частоты также вполне измерима .

Движение объекта может служить фактором его обнаружения и для варианта невидимости обтекания. Действительно, как мы говорили, такая невидимость рассчитана на определенную длину волны излучения, а в связи с высокими градиентами оптических характеристик среды чувствительность к сдвигам частоты весьма велика. Но при движении как раз и происходят частотные (доплеровские) сдвиги, что будет служить причиной рассеяния излучения и, следовательно, детектирования объекта.

Таким образом, полная невидимость макроскопических объектов — отсутствие рассеяния ими электромагнитного излучения во всех направлениях и для любых длин волн — принципиально невозможна. Но достижимо заметное уменьшение рассеяния излучения при некоторых ограничениях, прежде всего на спектральный состав диагностирующего излучения.

Значительный прогресс в этом направлении связан с развитием технологий изготовления метаматериалов — искусственных сред с заранее заданными характеристиками. В настоящее время применительно к невидимости такое уменьшение рассеяния реализовано для радиоволн. Для оптического излучения «детали», из которых изготавливается среда, на много порядков миниатюрней, что затрудняет решение задачи. Но и здесь возможен прогресс при использовании современных нанотехнологий. Наконец, решение проблемы невидимости движущихся объектов требует учета дополнительных релятивистских эффектов.

Литература:

1. Бенедиктов А. А. Гении мимикрии // Природа. 2007. №6. С. 33-35.
2. Ландсберг Г. С. Оптика. М., 1976.
3. Miller D. A. B. // Opt. Express. 2006. V. 14. №25. P. 12457-12466.
4. Litchinitser N. M., Gabitov I. R., Maimistov A. I., Shalaev V. M. // Progress in Optics. 2008. V. 51. P. 1-67.
5. Wolf E., Habashy T. // J. Mod. Opt. 1993. V. 40. №5. P. 785-792.
6. Pendry J. B., Schurig D., Smith D. R. // Science. 2006. V.312. P.1780-1782.
7. Schurig D., Mock J. J., Justice B. J. et al. // Science. 2006. V. 314. P. 977-980.
8. Долин Л. С. // Изв. вузов. Радиофизика. 1961. Т. 4 №5. С.964-967.
9. Cai W., Chettiar U. K., Kildishev A. V., Shalaev V. M. // Nature Photonics. 2007. V. 1. №4. P. 224-227.
10. Розанов Н. Н., Сочилин Г. Б. // УФН. 2006. Т. 176. №4. С. 421-439.
11. Вуд P. Физическая оптика. М., 1936.
12. Розанов Н. Н. // Опт. спектр. 2004. Т. 96. №6. С. 1017-1018.
13. Киселев Ал. С., Киселев Ан. С., Розанов Н. Н., Сочилин Г. Б. // Опт. спектр. 2008 (в печати).