18+
Проекты
Фото JPG / GIF, до 15 мегабайт.
Я принимаю все условия Пользовательского соглашения
Введите цифры с изображения:
00:58 14.12.2018

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"

Наши партнёры

Lentainform

Загрузка...

24СМИ. Агрегатор