Метаматериалы для шапки-невидимки

Температура воды изменилась, и цилиндр исчез. Это могло бы показаться фокусом, если бы не было научным открытием мирового масштаба: петербургским физикам удалось сделать стеклянный цилиндр с водой невидимым. Пока, правда, только в микроволновом диапазоне.

«Такого быть не может»

Подобная концепция может быть применена и в других диапазонах, в том числе в оптическом, тогда предметы начнут исчезать у нас на глазах. Главное – найти материалы с нужным коэффициентом преломления либо разработать новые, и эту задачу не первый год решают ученые из Петербурга.

Самый перспективный способ – применение метаматериалов, если дословно переводить с греческого – «постматериалов», «того, что следует за обычными материалами – металлом, стеклом и деревом».

«Метаматериал – периодическая структура, размер неоднородностей в которой много меньше длины волны. В микроволновом диапазоне длина волны – десятки сантиметров. Если мы хотим сделать метаматериал, период структуры не должен превышать несколько сантиметров. Такую структуру мы можем, предварительно рассчитав геометрию, сделать руками из набора проволок или напечатать на 3D-принтере», – объясняет руководитель теоретического отделения научного центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО кандидат физико-математических наук Иван Иорш.

Искусственные материалы, сконструированные в лабораториях, могут нарушать известные столетиями законы оптики.

«Представьте, что вы светите фонариком в воду. Луч преломляется и слегка отклоняется от линии раздела между воздухом и водой. Если бы вместо воды была среда, которую мы именуем метаматериалом, луч преломился бы непривычным для нас образом. Например, в обратную сторону. Ни в каких реально существующих материалах такого быть не может», – констатирует научный сотрудник центра нанофотоники и метаматериалов кандидат физико-математических наук Михаил Одит.

Физика и жизнь

Впервые искусственные среды, способные менять законы оптики, были упомянуты в сороковых и пятидесятых годах, в статьях советских физиков. А главная работа, предвосхитившая одно из первых открытий 21-го века, увидела свет в конце 1960-х.

«Наиболее значимым событием в истории метаматериалов была публикация в 1967 году статьи Виктора Веселаго, в которой он рассматривал, какими свойствами будет наделена гипотетическая среда, обладающая отрицательными коэффициентами диэлектрической и магнитной проницаемостей», – напоминает Михаил Одит.

До сих пор метаматериалы иногда называют «средами Веселаго».

Однако в прошлом столетии его работы не были оценены. В природе подобных материалов не существовало, возможность управлять магнитными свойствами света оставалась теоретической. Только в 2000 году британский физик Джон Пендри сумел воплотить фантастическую идею в жизнь. Он создал первый материал, который противоречил представлениям о проницаемости, но подтверждал правоту советского ученого.

Фотонная революция

Сегодня Михаил Одит называет разработку метаматериалов определяющим фактором перехода к следующему поколению компьютеров:

«Поскольку электроника подошла к своему физическому пределу, дальнейшие увеличение быстродействия и миниатюризация чипов практически невозможны. Нужен переход к нанофотонике – передаче информации через фотоны, когда информация передается не электронами в металлических проводниках, а фотонами в диэлектрических структурах. Этот способ гарантирует более высокие скорости и меньшие потери энергии».

Проблема в размерах устройств – изначально фотонные приборы значительно больше, чем электронные.

«Вспомните современные телескопы – это ведь гигантские антенны. Если у вас есть бесконечно большая поверхность, вы получите идеально направленное излучение. А хотелось бы, чтобы антенна была очень маленькая, при этом излучение от нее было направленное», – ставит задачу Иван Иорш.

Концепция метаматериалов позволяет преодолеть противоречие. С ними антенна для работы с микроволнами будет выглядеть как керамический шарик диаметром несколько сантиметров. В оптическом диапазоне «тарелку» заменит кремниевая сфера диаметром сто нанометров.

«Метаматериалы – инструмент революции, которая обеспечит переход от традиционной электроники к нанофотонике», – уверен Михаил Одит.

По этому направлению Международный научно-исследовательский центр нанофотоники и метаматериалов входит в десятку лучших лабораторий мира. Самые цитируемые работы посвящены проектированию диэлектрических наноантенн и использованию для создания метаматериалов графена. Исследования, проведенные в Петербурге, продолжают в Германии, Японии и США.

«Все будет видно»

Большинство датчиков, определяющих химическое состояние веществ, способных выявить взрывчатку или наркотики, работают в терагерцовом диапазоне. Терагерцовое излучение проникает через любую ткань, но человеческое тело для него непрозрачно.

Иван Иорш сравнивает работу терагерцовых приборов со сценой из фантастического фильма: «Сейчас есть металлодетекторы, но их можно обмануть – например, пронести керамическое оружие. В терагерцовом излучении все будет видно».

Такая избирательная прозрачность, конечно, вызывает этические вопросы, но на этапе разработки технологии ученые их не решают. А когда все технические и гуманитарные сложности будут преодолены, детекторы с применением принципов, разработанных в Университете ИТМО, возможно, появятся на каждой станции метро, на вокзалах и в аэропорту.

Но эффективного источника терагерцового излучения пока не существует. Существующие приборы либо слишком большие, и при этом работают только при сверхнизких температурах, либо обладают слишком малой мощностью.

«Применив метаматериал на основе графена, мы показали, как увеличить мощность терагерцовых источников», – утверждает Иван Иорш.

Электричество из воздуха

Испытания метаматериалов чаще всего проводятся в микроволновом диапазоне.

Дело в том, что законы линейной электродинамики масштабируемы. Если мы знаем, как свет ведет себя в определенной структуре, то можем проецировать этот опыт на волну, длина которой в сотни раз больше. Если эксперимент прошел успешно в микроволновом диапазоне, с устройством размером в несколько сантиметров, ученые уверены, что при уменьшении структуры до наноразмеров результат будет тот же.

Длина волны видимого света – 300 нанометров, значит, период наноструктуры метаматериала должен составлять 30 нанометров. Конструировать такую среду сложно и дорого. Можно, конечно, обойтись численной моделью, но надежнее прибегнуть к микроволновому прототипированию: сделать макроскопический образец, испытать на микроволнах, а потом отпечатать лучший вариант с уменьшением в миллион раз.

Кстати, наш научно-исследовательский центр нанофотоники и метаматериалов располагает нанолитографом – единственным в России прибором для печати трехмерных наноструктур.

«Мы полтора года учились на нем работать, докупали детали, теперь научились создавать уникальные структуры», – признается Иван Иорш.

Такое перспективное направление техники, как беспроводная передача энергии, тоже реализуется при помощи метаматериалов. В микроволновом отделении лаборатории испытывают технологию, которая в перспективе позволит полностью избавиться от проводов в квартирах и офисах. Обеспечит подзарядку планшета и мобильного телефона безо всяких розеток, просто по воздуху.

Начинается с яблок

«Теорий есть много, самая нашумевшая предполагает создание шапки-невидимки. Но ее пока никто не сделал. Зато у нас есть разработка, которую уже можно «пощупать» – применение метаматериалов в магнитно-резонансной томографии (МРТ)», – рассказывает заместитель заведующего научно-исследовательским центром нанофотоники и метаматериалов кандидат физико-математических наук Ирина Мельчакова.

Научный труд, описывающий новую возможность, еще не опубликован, но молодые петербургские ученые уже рассказали о ней на нескольких международных конференциях.

«Сейчас, чтобы сделать качественную МРТ, человеку нужно провести в томографе около получаса. Мы показали на рыбах, на мышах, что время процедуры можно сократить в 10 раз. При этом качество снимка не меняется», – гарантирует Иван Иорш.

В ходе экспериментов физикам пришлось иметь дело с непривычным предметом исследования – подопытными животными.

«Первые опыты вообще проводились на камбалах, нам нужны были плоские объекты. Мороженую рыбу покупали в гипермаркете», – вспоминает Иван.

«Все начиналось с неживых объектов – яблок и киви. Нам, инженерам, было несложно работать с фруктами, – рассказывает Ирина Мельчакова. – На следующем уровне мы привлекли к исследованиям специалистов-медиков».

С мышами физикам помогли сотрудники центра имени Алмазова.

Ученые планируют перейти к испытаниям на человеке до конца года, параллельно ведутся работы по патентованию разработки. Изобретение сделано, сколько времени уйдет на оформление бумаг, науке неизвестно.

Александр Яцуренко, для "Фонтанка.ру"