«Поклонникам Гарри Поттера придётся подождать — плащ-невидимка появится не скоро»
Глава из книги Митио Каку «Физика невозможного».
В избранное
В избранном
Нельзя полагаться на глаза, если расфокусировано воображение.
Марк Твен
В сериале «Звёздный путь 4: Путешествие домой» экипаж «Энтерпрайза» захватывает боевой крейсер клингонов. В отличие от кораблей Звёздного флота Федерации, корабли Клингонской империи оборудованы секретным «маскирующим устройством», способным сделать их невидимыми для глаза и радара.
Это устройство позволяет клингонским кораблям заходить незамеченными в хвост кораблям Федерации и безнаказанно наносить первый удар. Благодаря маскирующему устройству Клингонская империя имеет перед Федерацией планет стратегическое преимущество. Возможно ли на самом деле такое устройство?
Невидимость давно стала одним из привычных чудес научнофантастических и фэнтезийных произведений — от «Человека невидимки» до волшебного плаща-невидимки Гарри Поттера или кольца из «Властелина колец». Тем не менее на протяжении по крайней мере ста лет физики дружно отрицали возможность создания плащей-невидимок и однозначно заявляли, что это невозможно: плащи-де нарушают законы оптики и не согласуются ни с одним из известных свойств вещества.
Но сегодня невозможное может стать возможным. Достижения в области «метаматериалов» заставляют в значительной мере пересмотреть учебники оптики. Созданные в лаборатории рабочие образцы таких материалов вызывают живой интерес средств массовой информации, производственников и военных; всем интересно, как видимое сделать невидимым. Невидимость в истории
Невидимость, возможно, одна из самых старых концепций древней мифологии. С начала времен человек, оставшись один в пугающей тишине ночи, чувствовал присутствие невидимых существ и боялся их. Повсюду вокруг него во тьме таились духи мертвых — души тех, кто ушел до него.
Греческий герой Персей, вооружившись шлемом-невидимкой, сумел убить злобную горгону Медузу. Генералы всех времён мечтали о маскирующем устройстве, которое позволило бы стать невидимым для врага. Пользуясь невидимостью, можно было бы легко проникнуть за линию обороны противника и застать его врасплох. Преступники могли бы использовать невидимость для совершения дерзких ограблений.
В теории этики и морали Платона невидимость играла главную роль. В своем философском труде «Государство» Платон поведал нам миф о кольце Гига. В этом мифе бедный, но честный пастух Гиг из Лидии проникает в тайную пещеру и находит там гробницу; у трупа на пальце он видит золотое кольцо. Далее Гиг обнаруживает, что кольцо обладает волшебной силой и может делать его невидимым. Бедный пастух буквально пьянеет от власти, которую дало ему кольцо.
Пробравшись в царский дворец, Гиг при помощи кольца соблазняет царицу, затем с её помощью убивает царя и становится следующим царем Лидии.
Мораль, которую Платон вывел из этой истории, состоит в том, что ни один человек не в состоянии устоять перед искушением брать чужое и убивать безнаказанно. Люди слабы, а мораль — социальное явление, которое необходимо насаждать и поддерживать извне. На публике человек может соблюдать нормы морали, чтобы выглядеть порядочным и честным и поддерживать собственную репутацию, но стоит дать ему возможность становиться невидимым, и он не сможет удержаться и непременно воспользуется своим новым могуществом.
(Некоторые считают, что именно эта притча о морали вдохновила Дж.Р.Р. Толкина на создание трилогии «Властелин колец»; кольцо, делающее своего владельца невидимым, одновременно является источником зла.)
В научной фантастике невидимость — один из обычных двигателей сюжета. В серии комиксов 1930-х годов «Флэш Гордон » Флэш становится невидимым, чтобы скрыться от расстрельной команды негодяя Минга Безжалостного. В романах и фильмах о Гарри Поттере главный герой, накинув волшебный плащ, может незамеченным бродить по Хогвартскому замку.
Герберт Уэллс в классическом романе «Человек-невидимка» воплотил в конкретную форму примерно те же идеи. В этом романе студент-медик случайно открывает возможности четвертого измерения и становится невидимым. К несчастью, он использует полученные фантастические возможности в личных целях, совершает целую череду мелких преступлений и в конце концов погибает в отчаянной попытке уйти от полиции. Уравнения Максвелла и тайна света
Физики получили сколько-нибудь чёткое представление о законах оптики относительно недавно в результате работ шотландца Джеймса Клерка Максвелла , одного из гигантов физики 19 века. В определённом смысле Максвелл был полной противоположностью Фарадею. Если Фарадей обладал великолепным чутьем экспериментатора, но не имел никакого формального образования, то его современник Максвелл был магистром высшей математики. Он с отличием прошел обучение по курсу математической физики в Кембридже, где за два столетия до него работал Исаак Ньютон.
Ньютон придумал дифференциальное исчисление — оно описывает на языке дифференциальных уравнений, как объекты непрерывно претерпевают бесконечно малые изменения во времени и пространстве. Движение океанских волн, жидкостей, газов и пушечных ядер — все это может быть описано на языке дифференциальных уравнений. Максвелл начал работать, перед собой ясную цель: выразить революционные открытия Фарадея и его физические поля при помощи точных дифференциальных уравнений.
Максвелл начал с утверждения Фарадея о том, что электрические поля могут превращаться в магнитные и наоборот. Он взял нарисованные Фарадеем картины физических полей и записал их на точном языке дифференциальных уравнений. В результате была получена одна из важнейших в современной науке систем уравнений. Это система из восьми дифференциальных уравнений довольно жуткого вида.
Каждому физику и инженеру в мире пришлось в своё время попотеть над ними, осваивая в институте электромагнетизм. Далее Максвелл задал себе судьбоносный вопрос: если магнитное поле может превращаться в электрическое и наоборот, то что происходит, если они постоянно переходят одно в другое в бесконечной череде превращений?
Максвелл обнаружил, что такое электромагнитное поле породит волну, подобную океанской. Он вычислил скорость движения таких волн и, к собственному изумлению, обнаружил, что она равняется скорости света! В 1864 году, обнаружив данный факт, он пророчески написал: «Эта скорость настолько близка к скорости света, что мы, по всей видимости, имеем все основания сделать вывод о том, что сам свет… представляет собой электромагнитное возмущение».
Это открытие стало, возможно, одним из величайших в истории человечества — была наконец раскрыта тайна света! Максвелл внезапно понял, что всё — и сияние летнего восхода, и яростные лучи заходящего солнца, и ослепительные цвета ра-дуги, и звезды на ночном небосклоне — можно описать при помощи волн, которые он небрежно изобразил на клочке бумаги.
Сегодня мы понимаем, что весь электромагнитный спектр: сигналы радаров, микроволновое излучение и телевизионные волны, инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый свет, рентгеновские и гамма-лучи — это не что иное, как максвелловы волны;, а те в свою очередь представляют собой вибрации фарадеевых физических полей. Говоря о значении уравнений Максвелла, Эйнштейн писал, что это «самое глубокое и плодотворное, что довелось испытать физике со времен Ньютона».
(Трагично, но Максвелл, один из величайших физиков 19 столетия, умер достаточно молодым, в возрасте 48 лет, от рака желудка — вероятно, той же болезни, что убила его мать в этом же возрасте. Проживи он дольше, и возможно, ему удалось бы обнаружить, что полученные им уравнения допускают искажения пространства–времени, и это привело бы прямо к теории относительности Эйнштейна. Мысль о том, что проживи Максвелл дольше, и теория относительности могла бы появиться во времена Гражданской войны в Америке, потрясает до глубины души.)
Максвеллова теория света и атомная теория строения вещества дают оптике и невидимости простое объяснение. В твёрдом теле атомы плотно упакованы, тогда как в жидкости или газе расстояния между молекулами гораздо больше. Большинство твёрдых тел непрозрачны, так как лучи света не могут пройти через плотный строй атомов, который играет роль кирпичной стены. Многие жидкости и газы, напротив, прозрачны, потому что свету проще пройти между редкими атомами, расстояния между которыми больше, чем длина волны видимого света.
К примеру, вода, спирт, аммиак, ацетон, перекись водорода, бензин и другие жидкости прозрачны, как прозрачны и газы, такие как кислород, водород, азот, углекислый газ, метан и тому подобное. Из этого правила существует несколько важных исключений. Многие кристаллы одновременно твёрдые и прозрачные.
Но атомы в кристалле располагаются в узлах правильной пространственной решётки и образуют регулярные ряды с одинаковыми интервалами между ними. В результате в кристаллической решётке всегда много путей, по которым луч света может пройти сквозь неё. Поэтому, хотя атомы в кристалле упакованы не менее плотно, чем в любом другом твердом теле, свет все же способен проникать сквозь него.
При определённых обстоятельствах даже твердый объект со случайно расположенными атомами может стать прозрачным. Такого эффекта для некоторых материалов можно добиться, если нагреть объект до высокой температуры, а затем резко охладить. К примеру, стекло — твёрдое тело, обладающее из-за случайного расположения атомов многими свойствами жидкости.
Некоторые леденцы тоже можно таким образом сделать прозрачными. Очевидно, свойство невидимости возникает на атомном уровне, согласно уравнениям Максвелла, и потому его чрезвычайно трудно, если вообще возможно, воспроизвести обычными методами. Чтобы сделать Гарри Поттера невидимым, его придётся перевести в жидкое состояние, вскипятить и превратить в пар, кристаллизовать, нагреть и охладить — согласитесь, любое из этих действий было бы весьма затруднительным даже для волшебника.
Военные, оказавшись не в состоянии построить невидимые самолёты, попытались проделать более простую вещь: создали технологию «стелс», которая делает самолеты невидимыми для радаров. Технология «стелс», опираясь на уравнения Максвелла, проделывает серию фокусов. Реактивный истребитель «стелс» легко увидеть невооружённым глазом, зато на экране вражеского радара его изображение по размеру примерно соответствует крупной птице.
(На самом деле технология «стелс» представляет собой сочетание нескольких совершенно разных фокусов. По возможности материалы конструкции истребителя заменяются на прозрачные для радара: вместо стали используются различные пластики и смолы; изменяются углы фюзеляжа; меняется конструкция сопла двигателя и так далее. В результате всех этих ухищрений можно заставить радарный луч противника, попавший в самолёт, рассеиваться во всех направлениях и не возвращаться в приёмное устройство. Но даже с применением этой технологии истребитель не становится совершенно невидимым; просто его корпус отклоняет и рассеивает радарный луч настолько, насколько это технически возможно.) Метаматериалы и невидимость
Возможно, самым многообещающим в плане невидимости из недавних достижений является экзотический новый материал, известный как «метаматериал»; не исключено, что когда-нибудь он сделает объекты на самом деле невидимыми. Забавно, но когда-то существование метаматериалов также считалось невозможным, поскольку они нарушают законы оптики.
Но в 2006 году исследователи из Университета Дьюка в Дарэме (штат Северная Каролина) и Имперского колледжа в Лондоне успешно опровергли это общепринятое мнение и при помощи метаматериалов сделали объект невидимым для микроволнового излучения. Препятствий на этом пути пока хватает, но впервые в истории у человечества появилась методика, позволяющая делать обычные объекты невидимыми.
(Финансировало эти исследования DARPA — Агентство перспективных исследовательских проектов Минобороны США.)
Натан Мирволд, бывший главный технолог фирмы Microsoft, утверждает, что революционные возможности метаматериалов «полностью изменят наш подход к оптике и к почти всем аспектам электроники… Некоторые из метаматериалов способны на такие подвиги, которые несколько десятилетий назад показалось бы чудом».
Что представляют собой метаматериалы? Это вещества, обладающие несуществующими в природе оптическими свойствами. При создании метаматериалов в вещество внедряются крошечные имплантаты, которые вынуждают электромагнитные волны выбирать нестандартные пути. В Университете Дьюка учёные внедрили в медные ленты, уложенные плоскими концентрическими кругами (всё это немного напоминает по конструкции конфорку электроплитки), множество крошечных электрических контуров.
Результатом стала сложная структура из керамики, тефлона, композитных волокон и металлических компонентов. Крошечные имплантаты, присутствующие в меди, дают возможность отклонять микроволновое излучение и направлять его по заданному пути. Представьте себе, как река обтекает валун. Вода очень быстро оборачивается вокруг камня, поэтому ниже по течению его присутствие никак не сказывается и выявить его невозможно.
Точно так же мета материалы способны непрерывно изменять маршрут микроволн таким образом, чтобы они обтекали, скажем, некий цилиндр и тем самым делали все внутри этого цилиндра невидимым для радиоволн. Если метаматериал сможет к тому же устранить все отражения и тени, то объект станет полностью невидимым для этой формы излучения. Учёные успешно продемонстрировали этот принцип при помощи устройства, состоящего из десяти колец из стекловолокна, покрытых медными элементами.
Медное кольцо внутри устройства было почти невидимым для микроволнового излучения; оно лишь отбрасывало слабую тень. Необычные свойства метаматериалов базируются на их способности управлять параметром, известным как «показатель преломления». Преломление — свойство света менять направление распространения при прохождении через прозрачный материал. Если опустить руку в воду или просто посмотреть через линзы очков, можно заметить, что вода и стекло отклоняют и искажают ход лучей обычного света.
Причина отклонения светового луча в стекле или воде состоит в том, что при входе в плотный прозрачный материал свет замедляется. Скорость света в идеальном вакууме постоянна, но в стекле или воде свет «протискивается» через скопление триллионов атомов и потому замедляется. (Отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде называется показателем преломления. Поскольку свет в любой среде замедляется, показатель преломления всегда больше единицы.)
К примеру, показатель преломления для вакуума составляет 1,00; для воздуха — 1,0003; для стекла — 1,5; для бриллианта — 2,4. Как правило, чем плотнее среда, тем сильнее она отклоняет луч света и тем больше, соответственно, показатель преломления. Очень наглядной демонстрацией явлений, связанных с преломлением, могут послужить миражи. Если вы, проезжая по шоссе в жаркий день, будете смотреть прямо вперед, на горизонт, то дорога местами покажется вам мерцающей и создаст иллюзию сверкающей водной глади.
В пустыне иногда можно увидеть на горизонте очертания далеких городов и гор. Происходит это потому, что нагретый над дорожным полотном или песком пустыни воздух имеет более низкую плотность и, соответственно, более низкий показатель преломления, чем окружающий его обычный, более прохладный воздух; поэтому свет от удалённых объектов может испытать преломление в нагретом слое воздуха и попасть после этого в глаз; при этом у вас возникает иллюзия того, что вы действительно видите удалённые объекты.
Как правило, показатель преломления — величина постоянная. Узкий луч света, проникая в стекло, меняет направление, а затем продолжает двигаться по прямой. Но предположим на мгновение, что мы в состоянии управлять показателем преломления, так чтобы в каждой точке стекла он мог постоянно изменяться заданным образом. Свет, двигаясь в таком новом материале, мог бы произвольным образом менять направление; путь луча в этой среде извивался бы, подобно змее.
Если бы можно было управлять показателем преломления в метаматериале так, чтобы свет огибал некий объект, то объект этот станет невидимым. Для получения такого эффекта показатель преломления в метаматериале должен быть отрицательным, но в любом учебнике оптики сказано, что это невозможно.
(Впервые метаматериалы были теоретически предсказаны в работе советского физика Виктора Веселаго в 1967 году. Именно Веселаго показал, что эти материалы должны обладать такими необычными оптическими свойствами, как отрицательный показатель преломления и обратный эффект Доплера. Метаматериалы представляются настолько странными и даже нелепыми, что первое время их практическая реализация считалась попросту невозможной. Однако в последние несколько лет метаматериалы были-таки получены в лаборатории, что вынудило физиков заняться переписыванием учебников по оптике.)
Исследователям, которые занимаются метаматериалами, постоянно докучают журналисты с вопросом: когда на рынке появятся наконец плащи-невидимки? Ответ можно сформулировать очень просто: не скоро.
Дэвид Смит из Университета Дьюка рассказывает: «Репортеры звонят и умоляют хотя бы назвать срок. Через сколько месяцев или, скажем, лет это произойдет. Они давят, давят и давят, и ты в конце концов не выдерживаешь и говоришь, что лет, может, через пятнадцать. И тут же — газетный заголовок, да? Пятнадцать лет до плаща Гарри Поттера».
Вот почему он теперь отказывается называть какие бы то ни было сроки. Поклонникам Гарри Поттера или «Звёздного пути», скорее всего, придётся подождать. Хотя настоящий плащ-невидимка уже не противоречит известным законам природы —, а с этим в настоящий момент соглашается большинство физиков, — учёным предстоит преодолеть ещё много сложных технических препятствий, прежде чем эту технологию можно будет распространить на работу с видимым светом, а не только с микроволновым излучением.
В общем случае размеры внутренних структур, внедренных в метаматериал, должны быть меньше длины волны излучения. К примеру, микроволны могут иметь длину волны порядка 3 см, поэтому если мы хотим, чтобы метаматериал искривлял путь микроволн, мы должны внедрить в него имплантаты размером меньше 3 см.
Но чтобы сделать объект невидимым для зелёного света (с длиной волны 500 нм), метаматериал должен иметь внедренные структуры длиной всего около 50 нм. Но нанометры — это уже атомный масштаб, для работы с такими размерами требуются нанотехнологии. (Нанометр — это одна миллиардная часть метра. В одном нанометре может уместиться примерно пять атомов.)
Возможно, это ключевая проблема, с которой нам придётся столкнуться при создании настоящего плаща-невидимки. Чтобы произвольно искривлять, подобно змее, путь светового луча, нам пришлось бы модифицировать отдельные атомы внутри метаматериала. Метаматериалы для видимого света
Итак, гонка началась. Сразу же после объявления о получении в лаборатории первых метаматериалов в этой области началась лихорадочная активность. Каждые несколько месяцев мы слышим о революционных догадках и поразительных прорывах. Цель ясна: создать при помощи нанотехнологий метаматериалы, способные искривлять не только микроволны, но и видимый свет.
Уже предложены несколько подходов, и все они представляются достаточно перспективными. Одно из предложений заключается в том, чтобы использовать готовые методы, то есть позаимствовать для производства метаматериалов отработанные технологии микроэлектронной промышленности. К примеру, в основе миниатюризации компьютеров лежит технология «фотолитографии»; она же служит двигателем компьютерной революции.
Эта технология позволяет инженерам размещать на кремниевой подложке размером с ноготь большого пальца сотни миллионов крохотных транзисторов. Мощность компьютеров удваивается каждые 18 месяцев (эту закономерность называют законом Мура).
Происходит это благодаря тому, что учёные при помощи ультрафиолетового излучения «вытравливают» на кремниевых чипах всё более и более крохотные компоненты. Эта технология очень напоминает процесс, при помощи которого наносят по трафарету рисунок на цветастую футболку.
(Инженеры-компьютерщики начинают с тонкой подложки, на которую сверху накладываются тончайшие слои различных материалов. Затем подложка накрывается пластиковой маской, работающей как шаблон. На маску заранее наносится сложный рисунок проводников, транзисторов и компьютерных компонентов, составляющих основу принципиальной схемы. Заготовку облучают жёстким ультрафиолетом, то есть подвергают действию ультрафиолетового излучения с очень малой длиной волны; это излучение как бы переносит рисунок матрицы на светочувствительную подложку. Затем заготовку обрабатывают специальными газами и кислотами, и сложная схема матрицы вытравливается на подложке в тех местах, где она подвергалась действию ультрафиолетового излучения. В результате этого процесса получается пластинка с сотнями миллионов крошечных углублений, которые и образуют контуры транзисторов.)
В настоящее время самые мелкие компоненты, которые удаётся создать при помощи описанного процесса, имеют размер около 30 нм (или примерно 150 атомов). Заметной вехой на пути к невидимости стал недавний эксперимент группы учёных из Германии и Министерства энергетики США, в котором процесс травления кремниевой подложки удалось использовать для изготовления первого метаматериала, способного работать в видимом диапазоне света.
В начале 2007 года учёные объявили, что созданный ими метаматериал оказывает воздействие на красный свет. «Невозможное» было реализовано в удивительно короткие сроки. Физик Костас Сукулис из Лаборатории Эймса и Университета штата Айова вместе со Стефаном Линденом, Мартином Вегенером и Гуннаром Доллингом из Университета Карлсруэ в Германии сумели создать метаматериал с показателем преломления –0,6 для красного света с длиной волны 780 нм.
(До этого мировой рекорд длины волны излучения, которое удалось «завернуть» при помощи метаматериала, составлял 1400 нм; это уже не видимый, а инфракрасный свет.)
Для начала учёные взяли лист стекла и нанесли на него тонкий слой серебра, затем слой фторида магния, затем снова слой серебра; таким образом, был получен «сэндвич» с фторидом толщиной всего 100 нм. После этого учёные при помощи стандартной технологии травления проделали в этом «сэндвиче» множество крохотных квадратных отверстий (шириной всего 100 нм, гораздо меньше длины волны красного света); в результате получилась решетчатая структура, напоминающая рыбацкую сеть.
Затем они пропустили через полученный материал луч красного света и измерили показатель преломления, который составил –0,6. Авторы предвидят, что изобретенная ими технология найдёт широкое применение. Метаматериалы «могут когда-нибудь привести к созданию своего рода плоской суперлинзы, работающей в видимой части спектра, — говорит доктор Сукулис. — Такая линза позволит получать более высокое разрешение по сравнению с традиционной технологией и различать детали, значительно уступающие по размерам длине световой волны».
Очевидно, одним из первых приложений «суперлинзы» станет фотографирование микроскопических объектов с беспрецедентной четкостью; речь может идти о фотографировании внутри живой человеческой клетки или о диагностике заболеваний плода в чреве матери. В идеале появится возможность сфотографировать компоненты молекулы ДНК непосредственно, без применения грубых методов рентгеновской кристаллографии.
Пока учёным удалось продемонстрировать отрицательный показатель преломления только для красного света. Но метод надо развивать, и следующим шагом должно стать создание метаматериала, который мог бы полностью обвести красный луч вокруг объекта, сделав его невидимым для красного света.
Дальнейшее развитие можно ожидать также в области «фотонных кристаллов». Цель технологии фотонных кристаллов — создать чип, который использовал бы для обработки информации свет, а не электричество. Предполагается применить нанотехнологии для вытравливания на подложке крошечных компонентов — так, чтобы с каждым компонентом изменялся показатель преломления.
Транзисторы, в которых работает свет, имеют немало преимуществ перед электронными. К примеру, в фотонных кристаллах значительно меньше тепловые потери. (В сложных кремниевых чипах выделяется столько тепла, что хватило бы поджарить яичницу. Чтобы такие чипы не отказывали, их необходимо непрерывно охлаждать, а это очень дорого.)
Нет ничего удивительного в том, что технология получения фотонных кристаллов должна идеально подойти для метаматериалов, — ведь обе технологии предполагают манипулирование показателем преломления света на наноуровне. Невидимость через плазмонику
Не желая отставать от соперников, другая группа физиков объявила в середине 2007 года о создании метаматериала, способного повернуть видимый свет, на базе совершенно иной технологии, получившей название «плазмоника».
Физики Анри Лезек, Дженнифер Дионн и Гарри Этуотер из Калифорнийского технологического института объявили о создании метаматериала, обладающего отрицательным показателем преломления для более сложной сине-зеленой области видимого спектра. Цель плазмоники — таким образом «сжать» свет, чтобы можно было манипулировать объектами в наномасштабе, особенно на поверхности металлов.
Причина электропроводности металлов кроется в том, что электроны в атомах металлов слабо связаны с ядром и могут свободно передвигаться вдоль поверхности металлической решётки. Электричество, идущее по проводам у вас дома, представляет собой плавный поток этих слабо связанных электронов по металлической поверхности.
Но при определённых условиях, когда луч света сталкивается с металлической поверхностью, электроны могут завибрировать в унисон со светом. При этом на поверхности металла возникают волнообразные движения электронов (эти волны называют плазмонами) в такт с колебаниями электромагнитного поля над металлом.
Что ещё важнее, эти плазмоны можно «сжать» — при этом они будут иметь ту же частоту, что и первоначальный световой луч (а значит, будут нести ту же информацию), но значительно меньшую длину волны. В принципе затем эти сжатые волны можно втиснуть в нанопроводники. Как и в случае фотонных кристаллов, конечная цель плазмоники — создание компьютерных чипов, в которых работает не электричество, а свет.
Группа из Калифорнийского технологического построила свой метаматериал из двух слоев серебра и азотно-кремниевого изолирующего слоя (толщиной всего 50 нм) между ними. Этот слой действует как «волновод», способный направить плазмонные волны в нужную сторону. Через щель, прорезанную в метаматериале, в устройство проникает лазерный луч; он проходит по волноводу, а затем выходит через вторую щель. Если проанализировать углы, на которые изгибается лазерный луч при прохождении через метаматериал, можно установить, что материал обладает отрицательным показателем преломления для света с данной длиной волны. Будущее метаматериалов
Продвижение в исследовании метаматериалов в будущем будет ускоряться по той простой причине, что уже сейчас интерес к созданию транзисторов, которые работали бы на световом луче вместо электричества, очень велик. Поэтому можно предположить, что исследования в области невидимости смогут «подъехать на попутке», то есть воспользоваться результатами уже идущих исследований по созданию замены кремниевому чипу при помощи фотонных кристаллов и плазмоники.
Уже сегодня в разработку технологии, призванной заменить кремниевые чипы, вкладываются сотни миллионов долларов, а попутно выиграют и исследования в области метаматериалов. В настоящее время новые серьезные открытия в этой области совершаются каждые несколько месяцев, поэтому не удивительно, что некоторые физики ожидают появления в лаборатории первых образцов реального щита невидимости уже через несколько десятилетий.
Так, учёные уверены в том, что сумеют в ближайшие несколько лет создать метаматериалы, способные сделать объект полностью невидимым, по крайней мере в двух измерениях, для видимого света любой конкретной частоты. Чтобы добиться такого эффекта, необходимо будет внедрить в метаматериал крошечные наноимплантаты не правильными рядами, а по сложному рисунку, так чтобы в результате свет плавно огибал скрываемый объект.
Далее учёным придётся изобрести и создать метаматериалы, способные изгибать свет в трех измерениях, а не только на плоских двумерных поверхностях. Фотолитография — отработанная технология для получения плоских кремниевых схем; создание же трехмерных метаматериалов потребует как минимум сложной компоновки нескольких плоских схем.
После этого учёным придётся решить проблему создания метаматериалов, изгибающих свет не одной частоты, а нескольких — или, скажем, полосы частот. Это, возможно, окажется самой сложной задачей, потому что все разработанные до сих пор крошечные имплантаты отклоняют свет только одной точно заданной частоты. Возможно, учёным придётся заняться многослойными метаматериалами, где каждый слой будет действовать на одну конкретную частоту.
Пока не ясно, каким будет решение этой проблемы. Но щит невидимости, даже будучи наконец создан в лаборатории, может оказаться совсем не таким, как нам хочется, скорее всего, это будет тяжёлое и неповоротливое устройство. Плащ Гарри Поттера был сшит из тонкой мягкой ткани и при этом делал любого, кто завернётся в него, невидимым. Но чтобы такой эффект был возможен, показатель преломления внутри ткани должен постоянно меняться сложным образом в соответствии с колебаниями ткани и движениями человека.
Это непрактично. Скорее всего, плащ-невидимка, по крайней мере поначалу, будет представлять собой твёрдый цилиндр из метаматериала. В этом случае показатель преломления внутри цилиндра можно будет сделать постоянным.
(В более продвинутых моделях со временем могут появиться гибкие метаматериалы, способные изгибаться и при этом удерживать свет внутри себя на правильном пути. Тогда тот, кто будет находиться внутри «плаща», получит некоторую свободу движений.)
У щита невидимости есть один недостаток, на который уже неоднократно указывали: тот, кто находится внутри, не сможет выглянуть наружу, не став при этом видимым. Представьте себе Гарри Поттера, у которого видимыми остались только глаза; при этом они как бы плывут по воздуху на соответствующей высоте. Любые отверстия для глаз в плаще-невидимке были бы отчетливо видны снаружи.
Если же сделать Гарри Поттера совершенно невидимым, то ему придётся сидеть под своим плащом слепо и в полной темноте. (Одним из возможных решений этой проблемы могут стать два маленьких стеклышка перед глазами. Эти стеклышки будут работать как «расщепители луча»; они отщипывали бы и направляли в глаза небольшую часть падающего на них света. При этом большая часть света, попадающего на плащ, шла бы в обход, делая человека внутри невидимым, но некоторая, очень небольшая, его часть отделялась бы и попадала в глаза.) Бесспорно, препятствия на пути к невидимости очень серьёзны, но учёные и инженеры настроены оптимистично и считают, что щит невидимости того или иного рода может быть создан в течение нескольких ближайших десятилетий. Невидимость и нанотехнологии
Как я уже упоминал, ключом к невидимости может стать развитие нанотехнологий, то есть способности манипулировать структурами атомных (около одной миллиардной части метра в поперечнике) размеров. Моментом зарождения нанотехнологий называют знаменитую лекцию с ироничным названием «На дне полным-полно места», которую прочитал нобелевский лауреат Ричард Фейнман перед Американским физическим обществом в 1959 году.
В этой лекции он рассуждал о том, как могут выглядеть самые крохотные машины в соответствии с известными нам законами физики. Фейнман понимал, что размеры машин будут становиться всё меньше и меньше, пока не приблизятся к размерам атома, а затем для создания новых машин можно будет использовать сами атомы. Он сделал вывод о том, что простейшие атомные машины вроде блока, рычага или колеса ничем не противоречат законам физики, но изготовить их будет чрезвычайно трудно.
Много лет нанотехнологии прозябали в забвении — просто потому, что технологии того времени не позволяли манипулировать отдельными атомами. Но в 1981 году произошёл прорыв — физики Герд Бинниг и Генрих Рорер из лаборатории IBM в Цюрихе изобрели сканирующий туннельный микроскоп, который позже принёс им Нобелевскую премию по физике.
Учёные внезапно получили возможность получать поразительные «картинки» отдельных атомов, объединённых в структуры — в точности такие, какие изображают обычно в книгах по химии; когда-то критики атомной теории считали это невозможным. Теперь же можно было получить великолепные фотографии атомов, выстроенных рядами в правильной структуре кристалла или металла.
Химические формулы, при помощи которых учёные пытались отразить сложную структуру молекулы, теперь можно было увидеть невооружённым взглядом. Более того, сканирующий туннельный микроскоп дал возможность манипулировать отдельными атомами. Первооткрыватели выложили из отдельных атомов буквы IBM, чем произвели в научном мире настоящую сенсацию.
Учёные перестали быть слепцами в мире отдельных атомов; они получили возможность видеть атомы и работать с ними. Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа обманчиво прост. Подобно тому
В избранное
В избранном
Нельзя полагаться на глаза, если расфокусировано воображение.
Марк Твен
В сериале «Звёздный путь 4: Путешествие домой» экипаж «Энтерпрайза» захватывает боевой крейсер клингонов. В отличие от кораблей Звёздного флота Федерации, корабли Клингонской империи оборудованы секретным «маскирующим устройством», способным сделать их невидимыми для глаза и радара.
Это устройство позволяет клингонским кораблям заходить незамеченными в хвост кораблям Федерации и безнаказанно наносить первый удар. Благодаря маскирующему устройству Клингонская империя имеет перед Федерацией планет стратегическое преимущество. Возможно ли на самом деле такое устройство?
Невидимость давно стала одним из привычных чудес научнофантастических и фэнтезийных произведений — от «Человека невидимки» до волшебного плаща-невидимки Гарри Поттера или кольца из «Властелина колец». Тем не менее на протяжении по крайней мере ста лет физики дружно отрицали возможность создания плащей-невидимок и однозначно заявляли, что это невозможно: плащи-де нарушают законы оптики и не согласуются ни с одним из известных свойств вещества.
Но сегодня невозможное может стать возможным. Достижения в области «метаматериалов» заставляют в значительной мере пересмотреть учебники оптики. Созданные в лаборатории рабочие образцы таких материалов вызывают живой интерес средств массовой информации, производственников и военных; всем интересно, как видимое сделать невидимым. Невидимость в истории
Невидимость, возможно, одна из самых старых концепций древней мифологии. С начала времен человек, оставшись один в пугающей тишине ночи, чувствовал присутствие невидимых существ и боялся их. Повсюду вокруг него во тьме таились духи мертвых — души тех, кто ушел до него.
Греческий герой Персей, вооружившись шлемом-невидимкой, сумел убить злобную горгону Медузу. Генералы всех времён мечтали о маскирующем устройстве, которое позволило бы стать невидимым для врага. Пользуясь невидимостью, можно было бы легко проникнуть за линию обороны противника и застать его врасплох. Преступники могли бы использовать невидимость для совершения дерзких ограблений.
В теории этики и морали Платона невидимость играла главную роль. В своем философском труде «Государство» Платон поведал нам миф о кольце Гига. В этом мифе бедный, но честный пастух Гиг из Лидии проникает в тайную пещеру и находит там гробницу; у трупа на пальце он видит золотое кольцо. Далее Гиг обнаруживает, что кольцо обладает волшебной силой и может делать его невидимым. Бедный пастух буквально пьянеет от власти, которую дало ему кольцо.
Пробравшись в царский дворец, Гиг при помощи кольца соблазняет царицу, затем с её помощью убивает царя и становится следующим царем Лидии.
Мораль, которую Платон вывел из этой истории, состоит в том, что ни один человек не в состоянии устоять перед искушением брать чужое и убивать безнаказанно. Люди слабы, а мораль — социальное явление, которое необходимо насаждать и поддерживать извне. На публике человек может соблюдать нормы морали, чтобы выглядеть порядочным и честным и поддерживать собственную репутацию, но стоит дать ему возможность становиться невидимым, и он не сможет удержаться и непременно воспользуется своим новым могуществом.
(Некоторые считают, что именно эта притча о морали вдохновила Дж.Р.Р. Толкина на создание трилогии «Властелин колец»; кольцо, делающее своего владельца невидимым, одновременно является источником зла.)
В научной фантастике невидимость — один из обычных двигателей сюжета. В серии комиксов 1930-х годов «Флэш Гордон » Флэш становится невидимым, чтобы скрыться от расстрельной команды негодяя Минга Безжалостного. В романах и фильмах о Гарри Поттере главный герой, накинув волшебный плащ, может незамеченным бродить по Хогвартскому замку.
Герберт Уэллс в классическом романе «Человек-невидимка» воплотил в конкретную форму примерно те же идеи. В этом романе студент-медик случайно открывает возможности четвертого измерения и становится невидимым. К несчастью, он использует полученные фантастические возможности в личных целях, совершает целую череду мелких преступлений и в конце концов погибает в отчаянной попытке уйти от полиции. Уравнения Максвелла и тайна света
Физики получили сколько-нибудь чёткое представление о законах оптики относительно недавно в результате работ шотландца Джеймса Клерка Максвелла , одного из гигантов физики 19 века. В определённом смысле Максвелл был полной противоположностью Фарадею. Если Фарадей обладал великолепным чутьем экспериментатора, но не имел никакого формального образования, то его современник Максвелл был магистром высшей математики. Он с отличием прошел обучение по курсу математической физики в Кембридже, где за два столетия до него работал Исаак Ньютон.
Ньютон придумал дифференциальное исчисление — оно описывает на языке дифференциальных уравнений, как объекты непрерывно претерпевают бесконечно малые изменения во времени и пространстве. Движение океанских волн, жидкостей, газов и пушечных ядер — все это может быть описано на языке дифференциальных уравнений. Максвелл начал работать, перед собой ясную цель: выразить революционные открытия Фарадея и его физические поля при помощи точных дифференциальных уравнений.
Максвелл начал с утверждения Фарадея о том, что электрические поля могут превращаться в магнитные и наоборот. Он взял нарисованные Фарадеем картины физических полей и записал их на точном языке дифференциальных уравнений. В результате была получена одна из важнейших в современной науке систем уравнений. Это система из восьми дифференциальных уравнений довольно жуткого вида.
Каждому физику и инженеру в мире пришлось в своё время попотеть над ними, осваивая в институте электромагнетизм. Далее Максвелл задал себе судьбоносный вопрос: если магнитное поле может превращаться в электрическое и наоборот, то что происходит, если они постоянно переходят одно в другое в бесконечной череде превращений?
Максвелл обнаружил, что такое электромагнитное поле породит волну, подобную океанской. Он вычислил скорость движения таких волн и, к собственному изумлению, обнаружил, что она равняется скорости света! В 1864 году, обнаружив данный факт, он пророчески написал: «Эта скорость настолько близка к скорости света, что мы, по всей видимости, имеем все основания сделать вывод о том, что сам свет… представляет собой электромагнитное возмущение».
Это открытие стало, возможно, одним из величайших в истории человечества — была наконец раскрыта тайна света! Максвелл внезапно понял, что всё — и сияние летнего восхода, и яростные лучи заходящего солнца, и ослепительные цвета ра-дуги, и звезды на ночном небосклоне — можно описать при помощи волн, которые он небрежно изобразил на клочке бумаги.
Сегодня мы понимаем, что весь электромагнитный спектр: сигналы радаров, микроволновое излучение и телевизионные волны, инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый свет, рентгеновские и гамма-лучи — это не что иное, как максвелловы волны;, а те в свою очередь представляют собой вибрации фарадеевых физических полей. Говоря о значении уравнений Максвелла, Эйнштейн писал, что это «самое глубокое и плодотворное, что довелось испытать физике со времен Ньютона».
(Трагично, но Максвелл, один из величайших физиков 19 столетия, умер достаточно молодым, в возрасте 48 лет, от рака желудка — вероятно, той же болезни, что убила его мать в этом же возрасте. Проживи он дольше, и возможно, ему удалось бы обнаружить, что полученные им уравнения допускают искажения пространства–времени, и это привело бы прямо к теории относительности Эйнштейна. Мысль о том, что проживи Максвелл дольше, и теория относительности могла бы появиться во времена Гражданской войны в Америке, потрясает до глубины души.)
Максвеллова теория света и атомная теория строения вещества дают оптике и невидимости простое объяснение. В твёрдом теле атомы плотно упакованы, тогда как в жидкости или газе расстояния между молекулами гораздо больше. Большинство твёрдых тел непрозрачны, так как лучи света не могут пройти через плотный строй атомов, который играет роль кирпичной стены. Многие жидкости и газы, напротив, прозрачны, потому что свету проще пройти между редкими атомами, расстояния между которыми больше, чем длина волны видимого света.
К примеру, вода, спирт, аммиак, ацетон, перекись водорода, бензин и другие жидкости прозрачны, как прозрачны и газы, такие как кислород, водород, азот, углекислый газ, метан и тому подобное. Из этого правила существует несколько важных исключений. Многие кристаллы одновременно твёрдые и прозрачные.
Но атомы в кристалле располагаются в узлах правильной пространственной решётки и образуют регулярные ряды с одинаковыми интервалами между ними. В результате в кристаллической решётке всегда много путей, по которым луч света может пройти сквозь неё. Поэтому, хотя атомы в кристалле упакованы не менее плотно, чем в любом другом твердом теле, свет все же способен проникать сквозь него.
При определённых обстоятельствах даже твердый объект со случайно расположенными атомами может стать прозрачным. Такого эффекта для некоторых материалов можно добиться, если нагреть объект до высокой температуры, а затем резко охладить. К примеру, стекло — твёрдое тело, обладающее из-за случайного расположения атомов многими свойствами жидкости.
Некоторые леденцы тоже можно таким образом сделать прозрачными. Очевидно, свойство невидимости возникает на атомном уровне, согласно уравнениям Максвелла, и потому его чрезвычайно трудно, если вообще возможно, воспроизвести обычными методами. Чтобы сделать Гарри Поттера невидимым, его придётся перевести в жидкое состояние, вскипятить и превратить в пар, кристаллизовать, нагреть и охладить — согласитесь, любое из этих действий было бы весьма затруднительным даже для волшебника.
Военные, оказавшись не в состоянии построить невидимые самолёты, попытались проделать более простую вещь: создали технологию «стелс», которая делает самолеты невидимыми для радаров. Технология «стелс», опираясь на уравнения Максвелла, проделывает серию фокусов. Реактивный истребитель «стелс» легко увидеть невооружённым глазом, зато на экране вражеского радара его изображение по размеру примерно соответствует крупной птице.
(На самом деле технология «стелс» представляет собой сочетание нескольких совершенно разных фокусов. По возможности материалы конструкции истребителя заменяются на прозрачные для радара: вместо стали используются различные пластики и смолы; изменяются углы фюзеляжа; меняется конструкция сопла двигателя и так далее. В результате всех этих ухищрений можно заставить радарный луч противника, попавший в самолёт, рассеиваться во всех направлениях и не возвращаться в приёмное устройство. Но даже с применением этой технологии истребитель не становится совершенно невидимым; просто его корпус отклоняет и рассеивает радарный луч настолько, насколько это технически возможно.) Метаматериалы и невидимость
Возможно, самым многообещающим в плане невидимости из недавних достижений является экзотический новый материал, известный как «метаматериал»; не исключено, что когда-нибудь он сделает объекты на самом деле невидимыми. Забавно, но когда-то существование метаматериалов также считалось невозможным, поскольку они нарушают законы оптики.
Но в 2006 году исследователи из Университета Дьюка в Дарэме (штат Северная Каролина) и Имперского колледжа в Лондоне успешно опровергли это общепринятое мнение и при помощи метаматериалов сделали объект невидимым для микроволнового излучения. Препятствий на этом пути пока хватает, но впервые в истории у человечества появилась методика, позволяющая делать обычные объекты невидимыми.
(Финансировало эти исследования DARPA — Агентство перспективных исследовательских проектов Минобороны США.)
Натан Мирволд, бывший главный технолог фирмы Microsoft, утверждает, что революционные возможности метаматериалов «полностью изменят наш подход к оптике и к почти всем аспектам электроники… Некоторые из метаматериалов способны на такие подвиги, которые несколько десятилетий назад показалось бы чудом».
Что представляют собой метаматериалы? Это вещества, обладающие несуществующими в природе оптическими свойствами. При создании метаматериалов в вещество внедряются крошечные имплантаты, которые вынуждают электромагнитные волны выбирать нестандартные пути. В Университете Дьюка учёные внедрили в медные ленты, уложенные плоскими концентрическими кругами (всё это немного напоминает по конструкции конфорку электроплитки), множество крошечных электрических контуров.
Результатом стала сложная структура из керамики, тефлона, композитных волокон и металлических компонентов. Крошечные имплантаты, присутствующие в меди, дают возможность отклонять микроволновое излучение и направлять его по заданному пути. Представьте себе, как река обтекает валун. Вода очень быстро оборачивается вокруг камня, поэтому ниже по течению его присутствие никак не сказывается и выявить его невозможно.
Точно так же мета материалы способны непрерывно изменять маршрут микроволн таким образом, чтобы они обтекали, скажем, некий цилиндр и тем самым делали все внутри этого цилиндра невидимым для радиоволн. Если метаматериал сможет к тому же устранить все отражения и тени, то объект станет полностью невидимым для этой формы излучения. Учёные успешно продемонстрировали этот принцип при помощи устройства, состоящего из десяти колец из стекловолокна, покрытых медными элементами.
Медное кольцо внутри устройства было почти невидимым для микроволнового излучения; оно лишь отбрасывало слабую тень. Необычные свойства метаматериалов базируются на их способности управлять параметром, известным как «показатель преломления». Преломление — свойство света менять направление распространения при прохождении через прозрачный материал. Если опустить руку в воду или просто посмотреть через линзы очков, можно заметить, что вода и стекло отклоняют и искажают ход лучей обычного света.
Причина отклонения светового луча в стекле или воде состоит в том, что при входе в плотный прозрачный материал свет замедляется. Скорость света в идеальном вакууме постоянна, но в стекле или воде свет «протискивается» через скопление триллионов атомов и потому замедляется. (Отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде называется показателем преломления. Поскольку свет в любой среде замедляется, показатель преломления всегда больше единицы.)
К примеру, показатель преломления для вакуума составляет 1,00; для воздуха — 1,0003; для стекла — 1,5; для бриллианта — 2,4. Как правило, чем плотнее среда, тем сильнее она отклоняет луч света и тем больше, соответственно, показатель преломления. Очень наглядной демонстрацией явлений, связанных с преломлением, могут послужить миражи. Если вы, проезжая по шоссе в жаркий день, будете смотреть прямо вперед, на горизонт, то дорога местами покажется вам мерцающей и создаст иллюзию сверкающей водной глади.
В пустыне иногда можно увидеть на горизонте очертания далеких городов и гор. Происходит это потому, что нагретый над дорожным полотном или песком пустыни воздух имеет более низкую плотность и, соответственно, более низкий показатель преломления, чем окружающий его обычный, более прохладный воздух; поэтому свет от удалённых объектов может испытать преломление в нагретом слое воздуха и попасть после этого в глаз; при этом у вас возникает иллюзия того, что вы действительно видите удалённые объекты.
Как правило, показатель преломления — величина постоянная. Узкий луч света, проникая в стекло, меняет направление, а затем продолжает двигаться по прямой. Но предположим на мгновение, что мы в состоянии управлять показателем преломления, так чтобы в каждой точке стекла он мог постоянно изменяться заданным образом. Свет, двигаясь в таком новом материале, мог бы произвольным образом менять направление; путь луча в этой среде извивался бы, подобно змее.
Если бы можно было управлять показателем преломления в метаматериале так, чтобы свет огибал некий объект, то объект этот станет невидимым. Для получения такого эффекта показатель преломления в метаматериале должен быть отрицательным, но в любом учебнике оптики сказано, что это невозможно.
(Впервые метаматериалы были теоретически предсказаны в работе советского физика Виктора Веселаго в 1967 году. Именно Веселаго показал, что эти материалы должны обладать такими необычными оптическими свойствами, как отрицательный показатель преломления и обратный эффект Доплера. Метаматериалы представляются настолько странными и даже нелепыми, что первое время их практическая реализация считалась попросту невозможной. Однако в последние несколько лет метаматериалы были-таки получены в лаборатории, что вынудило физиков заняться переписыванием учебников по оптике.)
Исследователям, которые занимаются метаматериалами, постоянно докучают журналисты с вопросом: когда на рынке появятся наконец плащи-невидимки? Ответ можно сформулировать очень просто: не скоро.
Дэвид Смит из Университета Дьюка рассказывает: «Репортеры звонят и умоляют хотя бы назвать срок. Через сколько месяцев или, скажем, лет это произойдет. Они давят, давят и давят, и ты в конце концов не выдерживаешь и говоришь, что лет, может, через пятнадцать. И тут же — газетный заголовок, да? Пятнадцать лет до плаща Гарри Поттера».
Вот почему он теперь отказывается называть какие бы то ни было сроки. Поклонникам Гарри Поттера или «Звёздного пути», скорее всего, придётся подождать. Хотя настоящий плащ-невидимка уже не противоречит известным законам природы —, а с этим в настоящий момент соглашается большинство физиков, — учёным предстоит преодолеть ещё много сложных технических препятствий, прежде чем эту технологию можно будет распространить на работу с видимым светом, а не только с микроволновым излучением.
В общем случае размеры внутренних структур, внедренных в метаматериал, должны быть меньше длины волны излучения. К примеру, микроволны могут иметь длину волны порядка 3 см, поэтому если мы хотим, чтобы метаматериал искривлял путь микроволн, мы должны внедрить в него имплантаты размером меньше 3 см.
Но чтобы сделать объект невидимым для зелёного света (с длиной волны 500 нм), метаматериал должен иметь внедренные структуры длиной всего около 50 нм. Но нанометры — это уже атомный масштаб, для работы с такими размерами требуются нанотехнологии. (Нанометр — это одна миллиардная часть метра. В одном нанометре может уместиться примерно пять атомов.)
Возможно, это ключевая проблема, с которой нам придётся столкнуться при создании настоящего плаща-невидимки. Чтобы произвольно искривлять, подобно змее, путь светового луча, нам пришлось бы модифицировать отдельные атомы внутри метаматериала. Метаматериалы для видимого света
Итак, гонка началась. Сразу же после объявления о получении в лаборатории первых метаматериалов в этой области началась лихорадочная активность. Каждые несколько месяцев мы слышим о революционных догадках и поразительных прорывах. Цель ясна: создать при помощи нанотехнологий метаматериалы, способные искривлять не только микроволны, но и видимый свет.
Уже предложены несколько подходов, и все они представляются достаточно перспективными. Одно из предложений заключается в том, чтобы использовать готовые методы, то есть позаимствовать для производства метаматериалов отработанные технологии микроэлектронной промышленности. К примеру, в основе миниатюризации компьютеров лежит технология «фотолитографии»; она же служит двигателем компьютерной революции.
Эта технология позволяет инженерам размещать на кремниевой подложке размером с ноготь большого пальца сотни миллионов крохотных транзисторов. Мощность компьютеров удваивается каждые 18 месяцев (эту закономерность называют законом Мура).
Происходит это благодаря тому, что учёные при помощи ультрафиолетового излучения «вытравливают» на кремниевых чипах всё более и более крохотные компоненты. Эта технология очень напоминает процесс, при помощи которого наносят по трафарету рисунок на цветастую футболку.
(Инженеры-компьютерщики начинают с тонкой подложки, на которую сверху накладываются тончайшие слои различных материалов. Затем подложка накрывается пластиковой маской, работающей как шаблон. На маску заранее наносится сложный рисунок проводников, транзисторов и компьютерных компонентов, составляющих основу принципиальной схемы. Заготовку облучают жёстким ультрафиолетом, то есть подвергают действию ультрафиолетового излучения с очень малой длиной волны; это излучение как бы переносит рисунок матрицы на светочувствительную подложку. Затем заготовку обрабатывают специальными газами и кислотами, и сложная схема матрицы вытравливается на подложке в тех местах, где она подвергалась действию ультрафиолетового излучения. В результате этого процесса получается пластинка с сотнями миллионов крошечных углублений, которые и образуют контуры транзисторов.)
В настоящее время самые мелкие компоненты, которые удаётся создать при помощи описанного процесса, имеют размер около 30 нм (или примерно 150 атомов). Заметной вехой на пути к невидимости стал недавний эксперимент группы учёных из Германии и Министерства энергетики США, в котором процесс травления кремниевой подложки удалось использовать для изготовления первого метаматериала, способного работать в видимом диапазоне света.
В начале 2007 года учёные объявили, что созданный ими метаматериал оказывает воздействие на красный свет. «Невозможное» было реализовано в удивительно короткие сроки. Физик Костас Сукулис из Лаборатории Эймса и Университета штата Айова вместе со Стефаном Линденом, Мартином Вегенером и Гуннаром Доллингом из Университета Карлсруэ в Германии сумели создать метаматериал с показателем преломления –0,6 для красного света с длиной волны 780 нм.
(До этого мировой рекорд длины волны излучения, которое удалось «завернуть» при помощи метаматериала, составлял 1400 нм; это уже не видимый, а инфракрасный свет.)
Для начала учёные взяли лист стекла и нанесли на него тонкий слой серебра, затем слой фторида магния, затем снова слой серебра; таким образом, был получен «сэндвич» с фторидом толщиной всего 100 нм. После этого учёные при помощи стандартной технологии травления проделали в этом «сэндвиче» множество крохотных квадратных отверстий (шириной всего 100 нм, гораздо меньше длины волны красного света); в результате получилась решетчатая структура, напоминающая рыбацкую сеть.
Затем они пропустили через полученный материал луч красного света и измерили показатель преломления, который составил –0,6. Авторы предвидят, что изобретенная ими технология найдёт широкое применение. Метаматериалы «могут когда-нибудь привести к созданию своего рода плоской суперлинзы, работающей в видимой части спектра, — говорит доктор Сукулис. — Такая линза позволит получать более высокое разрешение по сравнению с традиционной технологией и различать детали, значительно уступающие по размерам длине световой волны».
Очевидно, одним из первых приложений «суперлинзы» станет фотографирование микроскопических объектов с беспрецедентной четкостью; речь может идти о фотографировании внутри живой человеческой клетки или о диагностике заболеваний плода в чреве матери. В идеале появится возможность сфотографировать компоненты молекулы ДНК непосредственно, без применения грубых методов рентгеновской кристаллографии.
Пока учёным удалось продемонстрировать отрицательный показатель преломления только для красного света. Но метод надо развивать, и следующим шагом должно стать создание метаматериала, который мог бы полностью обвести красный луч вокруг объекта, сделав его невидимым для красного света.
Дальнейшее развитие можно ожидать также в области «фотонных кристаллов». Цель технологии фотонных кристаллов — создать чип, который использовал бы для обработки информации свет, а не электричество. Предполагается применить нанотехнологии для вытравливания на подложке крошечных компонентов — так, чтобы с каждым компонентом изменялся показатель преломления.
Транзисторы, в которых работает свет, имеют немало преимуществ перед электронными. К примеру, в фотонных кристаллах значительно меньше тепловые потери. (В сложных кремниевых чипах выделяется столько тепла, что хватило бы поджарить яичницу. Чтобы такие чипы не отказывали, их необходимо непрерывно охлаждать, а это очень дорого.)
Нет ничего удивительного в том, что технология получения фотонных кристаллов должна идеально подойти для метаматериалов, — ведь обе технологии предполагают манипулирование показателем преломления света на наноуровне. Невидимость через плазмонику
Не желая отставать от соперников, другая группа физиков объявила в середине 2007 года о создании метаматериала, способного повернуть видимый свет, на базе совершенно иной технологии, получившей название «плазмоника».
Физики Анри Лезек, Дженнифер Дионн и Гарри Этуотер из Калифорнийского технологического института объявили о создании метаматериала, обладающего отрицательным показателем преломления для более сложной сине-зеленой области видимого спектра. Цель плазмоники — таким образом «сжать» свет, чтобы можно было манипулировать объектами в наномасштабе, особенно на поверхности металлов.
Причина электропроводности металлов кроется в том, что электроны в атомах металлов слабо связаны с ядром и могут свободно передвигаться вдоль поверхности металлической решётки. Электричество, идущее по проводам у вас дома, представляет собой плавный поток этих слабо связанных электронов по металлической поверхности.
Но при определённых условиях, когда луч света сталкивается с металлической поверхностью, электроны могут завибрировать в унисон со светом. При этом на поверхности металла возникают волнообразные движения электронов (эти волны называют плазмонами) в такт с колебаниями электромагнитного поля над металлом.
Что ещё важнее, эти плазмоны можно «сжать» — при этом они будут иметь ту же частоту, что и первоначальный световой луч (а значит, будут нести ту же информацию), но значительно меньшую длину волны. В принципе затем эти сжатые волны можно втиснуть в нанопроводники. Как и в случае фотонных кристаллов, конечная цель плазмоники — создание компьютерных чипов, в которых работает не электричество, а свет.
Группа из Калифорнийского технологического построила свой метаматериал из двух слоев серебра и азотно-кремниевого изолирующего слоя (толщиной всего 50 нм) между ними. Этот слой действует как «волновод», способный направить плазмонные волны в нужную сторону. Через щель, прорезанную в метаматериале, в устройство проникает лазерный луч; он проходит по волноводу, а затем выходит через вторую щель. Если проанализировать углы, на которые изгибается лазерный луч при прохождении через метаматериал, можно установить, что материал обладает отрицательным показателем преломления для света с данной длиной волны. Будущее метаматериалов
Продвижение в исследовании метаматериалов в будущем будет ускоряться по той простой причине, что уже сейчас интерес к созданию транзисторов, которые работали бы на световом луче вместо электричества, очень велик. Поэтому можно предположить, что исследования в области невидимости смогут «подъехать на попутке», то есть воспользоваться результатами уже идущих исследований по созданию замены кремниевому чипу при помощи фотонных кристаллов и плазмоники.
Уже сегодня в разработку технологии, призванной заменить кремниевые чипы, вкладываются сотни миллионов долларов, а попутно выиграют и исследования в области метаматериалов. В настоящее время новые серьезные открытия в этой области совершаются каждые несколько месяцев, поэтому не удивительно, что некоторые физики ожидают появления в лаборатории первых образцов реального щита невидимости уже через несколько десятилетий.
Так, учёные уверены в том, что сумеют в ближайшие несколько лет создать метаматериалы, способные сделать объект полностью невидимым, по крайней мере в двух измерениях, для видимого света любой конкретной частоты. Чтобы добиться такого эффекта, необходимо будет внедрить в метаматериал крошечные наноимплантаты не правильными рядами, а по сложному рисунку, так чтобы в результате свет плавно огибал скрываемый объект.
Далее учёным придётся изобрести и создать метаматериалы, способные изгибать свет в трех измерениях, а не только на плоских двумерных поверхностях. Фотолитография — отработанная технология для получения плоских кремниевых схем; создание же трехмерных метаматериалов потребует как минимум сложной компоновки нескольких плоских схем.
После этого учёным придётся решить проблему создания метаматериалов, изгибающих свет не одной частоты, а нескольких — или, скажем, полосы частот. Это, возможно, окажется самой сложной задачей, потому что все разработанные до сих пор крошечные имплантаты отклоняют свет только одной точно заданной частоты. Возможно, учёным придётся заняться многослойными метаматериалами, где каждый слой будет действовать на одну конкретную частоту.
Пока не ясно, каким будет решение этой проблемы. Но щит невидимости, даже будучи наконец создан в лаборатории, может оказаться совсем не таким, как нам хочется, скорее всего, это будет тяжёлое и неповоротливое устройство. Плащ Гарри Поттера был сшит из тонкой мягкой ткани и при этом делал любого, кто завернётся в него, невидимым. Но чтобы такой эффект был возможен, показатель преломления внутри ткани должен постоянно меняться сложным образом в соответствии с колебаниями ткани и движениями человека.
Это непрактично. Скорее всего, плащ-невидимка, по крайней мере поначалу, будет представлять собой твёрдый цилиндр из метаматериала. В этом случае показатель преломления внутри цилиндра можно будет сделать постоянным.
(В более продвинутых моделях со временем могут появиться гибкие метаматериалы, способные изгибаться и при этом удерживать свет внутри себя на правильном пути. Тогда тот, кто будет находиться внутри «плаща», получит некоторую свободу движений.)
У щита невидимости есть один недостаток, на который уже неоднократно указывали: тот, кто находится внутри, не сможет выглянуть наружу, не став при этом видимым. Представьте себе Гарри Поттера, у которого видимыми остались только глаза; при этом они как бы плывут по воздуху на соответствующей высоте. Любые отверстия для глаз в плаще-невидимке были бы отчетливо видны снаружи.
Если же сделать Гарри Поттера совершенно невидимым, то ему придётся сидеть под своим плащом слепо и в полной темноте. (Одним из возможных решений этой проблемы могут стать два маленьких стеклышка перед глазами. Эти стеклышки будут работать как «расщепители луча»; они отщипывали бы и направляли в глаза небольшую часть падающего на них света. При этом большая часть света, попадающего на плащ, шла бы в обход, делая человека внутри невидимым, но некоторая, очень небольшая, его часть отделялась бы и попадала в глаза.) Бесспорно, препятствия на пути к невидимости очень серьёзны, но учёные и инженеры настроены оптимистично и считают, что щит невидимости того или иного рода может быть создан в течение нескольких ближайших десятилетий. Невидимость и нанотехнологии
Как я уже упоминал, ключом к невидимости может стать развитие нанотехнологий, то есть способности манипулировать структурами атомных (около одной миллиардной части метра в поперечнике) размеров. Моментом зарождения нанотехнологий называют знаменитую лекцию с ироничным названием «На дне полным-полно места», которую прочитал нобелевский лауреат Ричард Фейнман перед Американским физическим обществом в 1959 году.
В этой лекции он рассуждал о том, как могут выглядеть самые крохотные машины в соответствии с известными нам законами физики. Фейнман понимал, что размеры машин будут становиться всё меньше и меньше, пока не приблизятся к размерам атома, а затем для создания новых машин можно будет использовать сами атомы. Он сделал вывод о том, что простейшие атомные машины вроде блока, рычага или колеса ничем не противоречат законам физики, но изготовить их будет чрезвычайно трудно.
Много лет нанотехнологии прозябали в забвении — просто потому, что технологии того времени не позволяли манипулировать отдельными атомами. Но в 1981 году произошёл прорыв — физики Герд Бинниг и Генрих Рорер из лаборатории IBM в Цюрихе изобрели сканирующий туннельный микроскоп, который позже принёс им Нобелевскую премию по физике.
Учёные внезапно получили возможность получать поразительные «картинки» отдельных атомов, объединённых в структуры — в точности такие, какие изображают обычно в книгах по химии; когда-то критики атомной теории считали это невозможным. Теперь же можно было получить великолепные фотографии атомов, выстроенных рядами в правильной структуре кристалла или металла.
Химические формулы, при помощи которых учёные пытались отразить сложную структуру молекулы, теперь можно было увидеть невооружённым взглядом. Более того, сканирующий туннельный микроскоп дал возможность манипулировать отдельными атомами. Первооткрыватели выложили из отдельных атомов буквы IBM, чем произвели в научном мире настоящую сенсацию.
Учёные перестали быть слепцами в мире отдельных атомов; они получили возможность видеть атомы и работать с ними. Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа обманчиво прост. Подобно тому
Ещё новости по теме:
18:20