Бурный прогресс последнего десятилетия в области создания структур очень маленьких размеров привел к появлению так называемых метаматериалов. «Мета» по-гречески означает ‘за’. Например, метагалактика — это объект, который больше, чем галактика, за пределами размеров галактики. А метаматериалы — это нечто за пределом материалов, существующих в природе. Термин придуман американским агентством DARPA ― там обычно сочиняют цветистые названия, когда запускается очередной проект. Такой проект возник, когда запускался проект по созданию новых структурированных материалов.
Метаматериалы — понятие не новое, мать-природа создала их довольно давно. В свое время люди потратили много усилий, пытаясь извлечь чудесные краски из крыльев бабочек ― в основном с целью покрасить ткани или добыть красители. Усилий было потрачено много, а красители добыть не удалось. Значительно позже выяснили, что дело вовсе не в краске, а в специальном структурировании крыльев. Взаимодействие света с филаментами, упорядоченными в крыльях бабочек, приводило к тому, что от крыльев отражался только голубой цвет или цвет, пятна и узоры которого определялись распределением структур на крыльях бабочки.
Другим примером является моль, летающая в темноте. В ее глаза попадает довольно мало света, поэтому моли невыгодно любое отражение от глаза, поэтому поверхность глаза структурирована так, в том диапазоне, в котором глаз моли наиболее чувствителен, отражение от глаза практически отсутствует. То есть структура филаментации поверхности такова, что она обеспечивает минимальное отражение. Мать-природа позаботилась о создании специальных структур, которые можно назвать метаматериалами. И эта идея экспериментально была установлена в древние времена, когда люди научились добавлять металл в стекло и добились окраса стекла. Если добавить металл в стекло, то у стекла возникает различный цвет на просвет и на отражение. Таким образом делали чудесные витражи в церквях, изготавливали красивую посуду. Или булатная сталь ― ее удивительная крепость тоже достигалась структурированием. Не понимая, как делается структурирование, древние тоже умели это делать экспериментальным путем.
Позже люди разобрались, как это работает и что происходит с металлом. При растворении металла в стекле металл растворяется не до молекулярного уровня, а до размера частичек — около 50 нанометров (нанометр — это одна миллиардная метра). Частичка освещается, но ее размер примерно в 10 раз меньше, чем длина волны. Частичка находится практически в однородном электрическом поле, и это электрическое поле начинает двигать свободные электроны в частичке металла, поскольку электрическое поле колеблется, из-за этого возникает возвращающая сила. Возникают резонансные колебания на определенных частотах, и этим резонансным колебаниям соответствуют удивительные цвета.
Возникает следующее явление. Размер частички маленький, то есть свет огибает ее, частичку не видно, но, поскольку она резонирует с внешним полем — светом, результат взаимодействия хорошо заметен: возникают чудесные яркие цвета. Изменяя состав, изменяя металлы, можно изменять цвет, и таким образом люди сделали витражи. Это явление называется плазмонным резонансом.
Теперь задумаемся: а что будет, если взять и поднести две частички друг к другу? Оказывается, что между частичками возникнет очень сильное поле, значительно более сильное, чем если бы у нас была одна частичка. Если у нас имеется молекула какого-то вещества и в этой молекуле есть резонансные переходы, которые соответствуют этой частоте, мы можем заметить эти резонансные переходы в возникающем поле. Таким образом у нас возникает очень чувствительный сенсор, который может определить наличие переходов химического вещества. Так мы можем определить присутствие очень малых следов химического вещества. Искусственные объекты, построенные на использовании плазмонного резонанса, используются в современной технологии для создания исключительно высокочувствительных сенсоров.
Но людей интересует не одна частота, а весь спектр. Поэтому возникает вопрос: как сделать широкополосную антенну? Делается примерно так: частички бросают на подложку, они случайным образом падают, возникает случайная картинка, фрактальная, где расстояние между частичками случайно распределено. Если мы посветим на разных частотах, то всегда найдутся частички, между которыми будет выполнено условие резонанса. Поэтому если есть молекулы вещества, которое распределено равномерно по поверхности такой пластинки, то они будут светиться, и таким образом мы можем определить спектр этих молекул. Таким образом делают сенсоры, которые используются в фармакологии для определения концентрации опасных химических веществ в исчезающе малых количествах. Кроме того, делаются попытки и проводятся исследования, чтобы определить начало заболевания, когда только-только возникает соединение, а болезнь еще не развита. Медико-биологические приложения, химия — это исключительно полезное применение для различных приложений.
Сегодня исключительно популярным стало приложение для проблем визуализации. Берется частичка, покрывается специальной оболочкой, которая прилипает к воспаленному или заболевшему органу. Потом на нее воздействуют излучением, частичка начинает колебаться, при этом она разогревается. В такт этому разогреву происходят колебания биологических жидкостей, частичка превращается в источник ультразвука. А дальше стандартными методами ультразвуковой диагностики создается визуализация заболевшего органа. Такие методы сейчас очень интенсивно развиваются и находят широкое применение. Это довольно полезная технология и очень высокочувствительная, высокого разрешения.
Кроме того, примером применения плазмонных технологий и метаматериальных технологий является новый тип материалов с так называемым отрицательным показателем преломления. Известно, что свет преломляется, когда заходит в оптическую, прозрачную среду. Например, известно, что дорогой алмаз обладает высоким коэффициентом преломления — он красиво блестит. А существуют среды, где преломление происходит неправильно, в обратную сторону. Более того, существуют механизмы, которые позволяют менять угол преломления. Это является чрезвычайно привлекательным для потенциальных устройств, которые позволили бы управлять потоком фотонов. Фотоны нейтральны, поэтому, в отличие от электронов, при помощи магнитного или электрического поля управлять ими нельзя. Фотоны являются исключительно привлекательным кандидатом не только для передачи информации, но и для ее обработки, но для этого нужны механизмы управления фотонами, люди упорно ищут такие механизмы. Управление коэффициентом преломления — это один из возможных механизмов. Огромное внимание уделяется изучению материалов с отрицательным показателем преломления.
Кроме того, возникают удивительные приборы, которые в принципе не могли существовать до последнего момента. Например, если взять любой учебник по теории лазеров, то можно прочитать, что невозможно сделать лазер, размер которого меньше длины волны. С появлением метаматериалов, а точнее, с появлением частиц, в которых возникает плазмонный резонанс, стало реальностью изготовление лазера, размер которого много меньше длины волны. Идея, в отличие от исполнения, довольно проста. Берется маленькая частица размером в несколько десятков нанометров и помещается в активную среду ― в частичке возникает плазмонный резонанс. Конечно, в частичке существуют потери колебаний, но они компенсируются активной внешней средой, которая играет роль усилителя. В результате возникают все компоненты, необходимые для лазера, ― и усилитель, и резонатор. Сейчас экспериментаторы во многих группах наблюдают устойчивое лазирование объектов, размеры которых много меньше, чем длина волны. Многие группы интенсивно ищут различные области приложения ― например, биологическое применение для визуализации, а также для воздействия на опухоли.
В качестве шутки следует упомянуть довольно часто привлекающее внимание рассуждение о том, что можно сделать шапку или халат-невидимку при помощи метаматериалов. Идея состоит в следующем: мы возьмем объект и поместим его в среду, которая создает такое преломление лучей вокруг объекта, что за объектом распределение поля будет таким же, как если бы этот объект отсутствовал. У нас имеется источник света, объект и наблюдатель, и если вокруг объекта мы создадим такое распределение показателя преломления, что за объектом распределение поля будет таким же, как если бы объекта не было, то тогда мы просто не будем видеть этот объект. Проводятся эксперименты, и явление невидимости наблюдается, но на одной-единственной частоте. Поскольку у нас глаз широкополосный, это в настоящий момент вовсе не невидимость, а, скорее, научная шутка, которая привлекает внимание публики. Тем не менее она демонстрирует возможности современной науки и техники.
В этой области ведется довольно много исследований, но не для создания невидимости, а для создания различного рода физических приборов. Метаматериалы — это отдельная наука. Этому разделу посвящено довольно много исследований. И раздел «метаматериалы» входит в программу, которая предлагается студентам Сколтеха.
