В области материаловедения и нанофотоники последние десятилетия ученые работают над созданием новых материалов с уникальными оптическими свойствами. Мы попросили профессора Университета штата Пенсильвания Синьцзе Ни рассказать об одном из таких проектов — о результатах работы исследователей над созданием «плаща-невидимки» и возможных сферах применения подобных материалов.

Задачи по созданию новых материалов

Наша лаборатория в Университете штата Пенсильвания в основном работает в сфере нанофотоники и плазмоники, а также немного в сфере оптической электроники. Если говорить конкретнее, в нашей лаборатории мы создаем наноструктуры — очень маленькие структуры размером в 10 нанометров или, может быть, в пару сотен нанометров. Структуры эти могут быть из совершенно разных материалов. Все они будут по-своему взаимодействовать со светом. Если взять обычный пласт стекла, то он, как правило, будет просто прозрачным, но, если вы возьмете стеклянный куб или сферу и совместите несколько таких штук, у получившейся конструкции будут совершенно иные оптические свойства: она будет казаться белой или иметь другой цвет в зависимости от ее строения. Мы занимаемся тем, что используем эти виды инженерных техник для создания разных конструкций, после чего влияем на то, как свет взаимодействует с материей. Создавая разные структуры, мы можем, по сути, управлять поведением света при его соприкосновении с материалом. Это краткое описание нашей работы.

Мы создаем искусственные материалы или наноматериалы, имеющие очень необычные или даже уникальные свойства, которыми не могут обладать природные материалы. Например, материал может иметь очень низкий, даже близкий к нулю, коэффициент преломления. Таких материалов в природе не существует. Мы можем пойти дальше и сделать этот коэффициент отрицательным, так что свет будет преломляться в совершенно другом направлении. Разработку также можно сделать очень тонкой — тогда она становится так называемой метаповерхностью, напрямую «управляющей» свойствами света: фазой, амплитудой и прочим. Помимо того, что сам этот феномен интересен, такие материалы могут иметь прикладное значение. Например, их можно применить при создании технологий визуализации или очень компактных оптических приборов, которые могут заменить нынешние громоздкие приспособления с их ограниченными возможностями. Более того, при помощи метаповерхностей мы можем получать множество интересных физических явлений, например квантовую интерференцию.

Как работает «плащ-невидимка»?

В создании плаща мы основывались на тех же принципах, которые используются и в других наших исследованиях, — мы занимаемся созданием оптических свойств материалов на наноуровне, что позволит повлиять на поведение света, вступающего во взаимодействие с этим материалом. Что мы сделали: мы создали маленькие наноструктуры (мы назвали их наноантеннами), похожие на кирпичики с квадратами сверху. У этих антенн есть уникальное свойство: они могут резонировать с падающим на них светом и потом рассеивать его. Наноантенны могут изменять фазу света, при этом сохраняя его интенсивность. Это позволяет им полностью восстанавливать волновой фронт и фазу света, с которым они соприкасаются. И поскольку мы можем размещать эти антенны так, как нам угодно, мы можем сделать характеристики света такими, какими они были бы, если бы никакого объекта не было, в любой нужной нам точке на поверхности плаща.

Видеть объект — это не то же самое, что его трогать: глаз воспринимает не сам предмет, а отраженный им свет. И из информации, извлекаемой из этого отраженного света, мозг понимает, какой формы объект, какое до него расстояние и так далее. Наши антенны пытаются восстановить изначальные характеристики света. Это никак не влияет на сам объект. Изначальный свет из источника просто отражается чем-то вроде плоскости, и потому в отраженном свете нет никакой информации непосредственно об объекте. Таким образом, вы ничего не видите или видите просто плоскую поверхность — вы не знаете, что там находится.

Можно покрыть таким материалом объект случайной формы, направить на него свет, и он будет выглядеть совершенно плоским и слившимся с окружением. Таким образом можно скрыть объект от оптической регистрации.

Исследования подобного рода уже проводились в прошлом — например, разработка «коврового» плаща-невидимки. Такие плащи перенаправляли свет внутри объемного искусственного материала. Объект помещается под нужный сектор такого плаща, и плащ делает примерно то же — выравнивает волновой фронт и делает поверхность похожей на зеркало. Однако возможности этой технологии ограниченны: объект нужно покрывать очень толстым слоем такого материала, чтобы было достаточно места для управления светом. Из этого также происходит проблема изменения масштаба — лаборатория, которая создала этот материал, преуспела в создании только микроскопического плаща-невидимки, чего, естественно, недостаточно, если мы хотим его применять.

Другое ограничение касается фазы: наши наноантенны позволяют изменять ее во всем промежутке от 0 до 2 пи. Предыдущее же изобретение, несмотря на то, что им удалось добиться плоского волнового фронта, как если бы свет не был рассеян, тем не менее у них существовала разница в фазе между по-настоящему отраженным светом и светом, проходящим через плащ. И потому разницу можно было засечь при помощи фазочувствительного приспособления. Это очень критический минус данного изобретения, поскольку благодаря этому можно заметить некоторое искривление, означающее, что перед вами находится какой-то объект, покрытый этим материалом. В противоположность этому в нашем плаще-невидимке мы можем влиять на фазу и таким образом полностью ее восстанавливать, и потому, даже если вы будете использовать фазочувствительный детектор, вы ничего не увидите, поскольку в любой точке плаща фаза будет восстановлена, как если бы свет был отражен плоской поверхностью.

Наш плащ также работает, будучи обернутым вокруг трехмерного объекта, — это тоже прорыв по сравнению с предыдущими исследованиями, так как они испытывали проблемы с производством. Производство не является проблемой в нашем случае: наш плащ очень тонок (мы называем его «плащ-кожа»), и производство его достаточно несложное, поскольку его не нужно укладывать в трехмерную структуру, — процесс его создания примерно такой же, что и у компьютерных чипов. В теории он может быть очень большим, так что проблема увеличения масштаба тоже решена. Им вполне можно будет покрыть макроскопический объект. Так что мы несколько продвинулись по сравнению с предыдущими исследователями.

Такой плащ, сделанный из очень тонкого искусственного материала, способного точно обволакивать объект, подобно ткани или бумаге, — это новшество. Главным преимуществом нашего изобретения является то, что мы решили эту проблему с фазами так, что и фазочувствительный прибор не способен «увидеть» наш плащ, и в дополнение к этому его размеры можно свободно увеличивать. Это технология двухмерного производства — любой может ее использовать.

Из каких материалов сделан «плащ»?

У нашего плаща два слоя. Один слой мы называем подложкой — это нечто вроде прорехи между задней плитой и самим плащом, состоящей из фторида магния — прозрачного диэлектрика, используемого для оптического покрытия стеклянных и других линз. Второй же слой — это антенны, сделанные из золота, — они похожи на маленькие кирпичики с квадратами сверху, и пропорции квадрата влияют на фазу света. Мы используем только эти два материала — золото и фторид магния, и это все, из чего состоит наш плащ.

Фторид магния имеет очень низкий коэффициент преломления, что важно в нашем случае. Что касается золота, оно относится к группе так называемых плазмонных материалов — металлов, таких как золото, серебро, медь, — мы все их можем использовать. Интересным их свойством является то, что, если вы направите на них свет, свободные электроны внутри них начнут колебаться. Мы называем такие колебания «плазмонными колебаниями», и этот эффект называется плазмонным эффектом. Благодаря ему резонанс может быть очень сильным в случае разных форм. Так что это очень хороший для нас материал, поскольку он может очень эффективно рассеивать свет и сильно с ним реагировать.

Появление идеи

Один из факторов, вдохновивших нас на работу, — это, конечно, фильмы вроде «Гарри Поттера» и разные научно-фантастические картины, благодаря которым многих людей интересует, можно ли сделать что-то такое. Другим фактором является то, что сфера, в которой мы работаем, — нанофотоника — дает нам очень много возможностей в плане управления светом. Так что мы подумали: можем ли мы что-то с этим сделать? Могли бы мы сделать что-то новое и уникальное, что-то, что невозможно было бы сделать, не будь этой области? Плащ-невидимка — это одна из вещей, которую невозможно было бы сделать, пользуясь знаниями только из области обычной оптики: для этого нужно иметь более продвинутые технологии контроля поведения света. В этом преимущество нашей области. И это второй фактор.

Третьим же фактором является то, что, конечно, плащ сам по себе представляет немалый интерес, однако он еще ценен как способ демонстрации возможностей метаповерхностей и как таковой является всего лишь одним из примеров. Вы можете создать больше устройств, таких как сверхтонкая линза, которые могут быть очень полезны. Сейчас наши камеры имеют очень громоздкие системы линз, и в мобильных телефонах самая толстая часть — это объектив камеры, и ее нельзя сделать тоньше. Наша технология позволяет создать линзу толщиной 30 нанометров или даже меньше, и она будет совершенно плоской. Это еще одно применение наших открытий, и его возможность мы продемонстрировали некоторое время назад.

Я просто хотел этим сказать, что тут дело не ограничивается просто созданием плаща — это в целом очень мощный инструмент, который может помочь людям управлять светом и использовать его, и плащ лишь одно из доказательств этого.

Практическое применение

Первая мысль, которая приходит на ум в связи с подобными изобретениями, — это использование в военной сфере. Например, можно сделать солдата или танк невидимыми, что увеличит их шансы на выживание. Я согласен, что это может быть одно из приложений, но могут быть и другие. Наш плащ являет собой, конечно, очень интересное устройство с прикладной точки зрения, однако огромный интерес представляет и сам феномен. По сути, перед нами устройство, которое может полностью контролировать амплитуду и фазу взаимодействующего с ним света, и, если поверхность будет покрыта такими устройствами, ее оптические свойства будут полностью управляться этими маленькими элементами.

Вы можете сделать это, или же можно сделать обратное: предположим, у вас есть плоская поверхность, но вы хотите заставить ее выглядеть объемной. Например, вы хотите сделать скульптуру или другой предмет декора, но не хотите, чтобы сам материал был объемным. Для этого вы также можете использовать изобретение, подобное нашему, поскольку тот же механизм, который заставляет рельефную поверхность выглядеть плоской, может сделать и обратное — создать видимость объема в совершенно плоской картине. Помимо того, эта технология может оказать влияние на разработку 3D-дисплеев.

Другое применение может найтись в случае, когда вы не хотите полностью прятать человека или вещь — к примеру, у человека может быть родимое пятно, которое он не хочет удалять хирургическим путем, и в этом случае он может просто покрыть его тканью-невидимкой, чтобы оно исчезло. Это может быть просто плодом моего бурного воображения, но это вполне возможно. Или, вероятно, люди, не желающие заниматься спортом, смогут носить одежду из материала, который создаст видимость стройности. Это все вполне может произойти.

Открытые вопросы

Поскольку это совершенно новая разработка — мы являемся первыми, кому удалось добиться невидимости таким путем, — нам еще предстоит поработать над масштабированием: несмотря на то, что в теории размеры можно изменять до нужных параметров, сейчас эта возможность по техническим причинам ограниченна. Потому на данный момент производство достаточно большого куска такого материала будет безумно дорого стоить, и в дополнение к этому технология производства также может не выдержать испытания размером. К счастью, у нас есть технология, которая называется «рулонный наноимпринтинг», и она может помочь нам с масштабированием.

Другая проблема состоит в том, что у наших антенн не может быть очень большого угла приема. Это значит, что, несмотря на то что нам удается спрятать объект, он по-прежнему находится там и возвышается над поверхностью, а значит, блокирует свет и по этой причине отбрасывает тень, если посмотреть на него из плоскости, в которой он находится. При взгляде под определенными углами это незаметно, однако из определенных положений тень видна.

Пока что у нас есть эти два ограничения функциональности. Мы надеемся, что в будущем нам удастся их преодолеть и приблизиться еще на шаг к настоящему плащу-невидимке.

Перспективы нанофотоники и использования «плаща»

Нанофотоника — это очень обширная дисциплина. Мое исследование использует наноструктуры, чтобы заставить свет взаимодействовать с материалами и изучать, что происходит в плане физики во время этого взаимодействия. Например, в новых материалах мы можем воспроизвести интересные физические феномены вроде спинового эффекта Холла.

Обычной практикой для нанофотоники является встраивание фотонных устройств в чипы для применения в сфере коммуникации. Они создают маленькие волноводы, модуляторы, а также лазеры, встроенные в микросхемы. Квантовые эффекты также изучаются при исследовании света в масштабе нанометров. Более того, нанофотоника может иметь влияние на другие дисциплины, такие как биология, которой она способна предоставить технологии визуализации с высоким или даже сверхвысоким разрешением, преодолевающим границы дифракции.

Как я уже сказал, наш плащ до сих пор имеет ограничения по функциональности, мы до сих пор пытаемся их преодолеть и улучшить наше изобретение. Еще много времени пройдет до того момента, когда это устройство станет достаточно большим и доступным. Проводится много исследований в сфере нанопроизводства, пытающихся улучшить эту технологию, чтобы стало возможным создание более крупных устройств, чтобы производство стало дешевле и так далее. Я думаю, по мере того как технология прогрессирует, эти проблемы могут быть решены одна за другой, и эти фантастические устройства станут частью обычной жизни. Это более чем возможно, я уверен в этом.

Что касается нанофотоники, то она является естественным продуктом человеческого любопытства и стремления делать все более и более мелкие фотонные приборы. Сейчас как никогда нам нужны лучшие дисплеи, технологии визуализации, быстрая коммуникация, энергия и многое другое. Ответы на вопрос о том, как увеличить скорость коммуникации, как сделать солнечные батареи более эффективными, как увидеть очень мелкие вещи напрямую, может дать сфера нанофотоники.