Метаматериалы и невидимость

Лекция профессора теоретической оптики Имперского колледжа Лондона Мартина Макколла о метаматериалах и невидимости опубликована в нашем англоязычном издании Serious Science. Лекция на английском языке, но для читателей ПостНауки мы сделали перевод транскрипта. Вы можете посмотреть видео, почитать текст расшифровки на языке оригинала или ознакомиться с лекцией с помощью текста на русском.

Метаматериалы позволяют нам манипулировать светом такими способами, которые мы не могли представить себе еще 15 лет назад. Эта возможность поспособствовала различным применениям манипуляций с электромагнитными полями или тем, что мы считаем светом. Определенный способ направлять свет, манипулировать им или преобразовывать его — это связать его с объектом. Это как представить свет водой, текущей из ручья, в центре которого стоит, предположим, дерево. Тогда вода будет обтекать дерево, после чего ее потоки станут параллельными. Таким образом, наблюдатель, стоящий у другой стороны этого дерева, увидит только параллельные линии. И то, что происходит там с водой, при помощи науки о метаматериалах мы уже сейчас можем сделать со светом. Мы можем взять свет и обогнуть его вокруг объекта так, что наблюдатель, стоящий за ним, не будет знать о том, что там есть этот объект — он становится невидимым.

Эта идея была сформулирована в 2006 году на физическом факультете Имперского колледжа Лондона профессором сэром Джоном Пендри и независимо с использованием немного других идей и концептов профессором Ульфом Леонхардтом в Сент-Эндрюсском университете. Идея основывается на базовом уравнении, которое описывает свет, — всем известном уравнении Максвелла, то есть на одном из самых фундаментальных физических уравнений, о котором мы узнаем, окончив физический факультет. Оно было сформулировано в 1860-х годах и до сих пор существенным образом влияет на повседневную жизнь каждого человека. Одно из следствий уравнения Максвелла было замечено в 2006 году. Оно заключается в том, что мы можем применить определенную трансформацию. Представьте себе, что существует некое пространство, которое вы хотите определенным способом изменить — сжать или растянуть, основываясь на возможности растянуть его вокруг объекта.

Было замечено, что уравнение Максвелла отличается особым качеством: когда вы трансформируете пространство — растягиваете или изменяете его, — оно сохраняет ту же структуру. Исследователи назвали это свойство инвариантностью, ковариантностью. Эта идея была во многом выражена Эйнштейном в его работе по общей относительности. Но в контексте метаматериалов и того, как они повлияли на идеи, которые впоследствии привели к сокрытию объектов, эта идея была по-новому выражена в том, что искривления пространства покидают уравнение Максвелла, сохраняя свою структуру — и не только сохраняя структуру, но и сообщая нам информацию, которая ранее была неизвестной. Суть заключалась в том, что чистая трансформация, существующая, конечно, только в нашем сознании и являющаяся только тем, что мы записали на бумаге, сообщила нам дополнительную информацию. Через сохранение структуры ковариантность уравнения показала нам, как именно можно сделать материал, который свет сможет огибать. В нашем воображении существует два способа что-то описать. Законы физики должны выглядеть примерно одинаково, однако здесь вы пытаетесь нечто трансформировать. Эта инвариантность сообщила нам дополнительную информацию, позволившую построить материал, который может совершать трансформации, растяжения.

И естественно, первые идеи, эксплуатировавшие эту информацию, были направлены на самые интересные и яркие трансформации. Профессор Пендри выдвинул прекрасную идею о смене позиций электрического и магнитного полей таким образом, чтобы они никогда не взаимодействовали с объектом, а в некотором смысле обтекали его. Таким образом, уравнение сообщило нам, как создать метаматериал, который может произвести такое искривление света, что в действительности означает создание электромагнитной мантии.

Одна из вещей, которые впечатлили меня за время моей научной карьеры, — это то, как быстро идеи воплощаются в реальность. Хотя это была теоретическая концепция — идея о том, что можно использовать свет, чтобы манипулировать метаматериалами, чтобы сделать объекты невидимыми, — я подозревал, что пройдет несколько лет, прежде чем мы увидим хотя бы простейшую демонстрацию. На самом деле все случилось достаточно скоро. В том же году, в 2006-м, эксперимент был проведен в сфере микроволн — на немного более протяженной длине волны, чем у видимого света. Эксперимент продемонстрировал невидимость с использованием метаматериалов такого объема, что можно было покрыть объект размером с небольшую монету. Мы показали, что этому объекту можно придать невидимость.

Эксперимент был неидеален из-за технологических ограничений, но важно то, что это был вопрос скорее технологии, чем принципа. Наш принцип заключается в том, что мы понимаем, как создавать мантию и как делать объекты невидимыми. Сейчас это вопрос технологии — как именно применить это. Мы не можем сделать это идеально, но делаем это лучше и лучше с каждым разом. Естественно, мы хотим производить мантии-невидимки на более короткой длине волны — волны видимого света, например. И это предполагает даже более серьезные технологические вызовы. Мы совершенствуемся с каждым разом. Мы сводим проблемы к сугубо технологической стороне, а не к принципиальной.

Необходимость сделать объекты невидимыми создает серьезные вызовы для типа материала, который необходимо создать. Необходимо найти электрическую и магнитную реакции, по сути идентичные. Очень сложно манипулировать магнитной реакцией. Более того, натуральные материалы в основном магнетически нереактивны. Сложность в получении идеальной мантии заключается в достижении идентичной магнитной и электрической реакции. Случайным образом причина, по которой мы нуждаемся в идентичной электрической и магнитной реакции, состоит в том, что происходит со светом в вакууме. Свет путешествует в вакууме таким образом, что электрическое и магнитное поля ощущают одинаковый эффект вакуума. Мы пытаемся воссоздать это в наших материалах в измененном виде. Так что одна из главных задач — действительно получить одинаковую реакцию, как электрическую, так и магнитную.

Выходя за рамки простой идеи о сокрытии чего-либо, мы также хотели бы производить более плоские структуры. Некоторые радикальные требования, необходимые для производства трехмерной мантии, могут быть послаблены на более низких уровнях измерения. Так, например, в двухмерном измерении произвести подобную мантию-невидимку будет легче. В действительности мы дошли намного дальше в сокрытии объектов на более низких уровнях измерения.

До тех пор пока исследователи, спонсоры и дети исследователей будут хотеть иметь мантию-невидимку, которую можно будет брать на вечеринки и подобные мероприятия, открытия необходимого материала не случится в ближайшем будущем. Чтобы очертить перспективы непосредственного направления развития этой области, с моей точки зрения, можно сказать, что создание скрывающей объекты материи — это чрезвычайно интересная идея. Но вероятная технологическая значимость заключается в том, как это изобретение повлияет на обработку и манипуляции с оптическими сигналами, возможно, в направлении, пока неочевидном для нас, а именно в некоторой оптической обработке, отличающейся от привычной для нас в настоящее время. Таким образом, итог в контексте влияния этого изобретения на наши повседневные жизни в каком-то смысле все еще скрыт от нас. Это своего рода концептуальное сокрытие. Пока конечный пользователь не осведомлен о маленьких трюках, которые могут возникнуть в процессе оптической обработки, но я верю, что сокрытие и другие подобные технологии могут составить значительную часть развития подобных устройств.