Наноазбука: метаматериалы. Метаматериалы

МОСКВА, 26 сен — РИА Новости, Ольга Коленцова. Порой достижения современных технологий можно принять за волшебство. Только вместо магии работает точная наука. Одними из областей исследований, результаты которыхмогли бы вполне послужить иллюстрацией свойств "сказочных атрибутов", являются разработка и создание метаматериалов.

Математики нашли способ превратить метаматериал в "световой компьютер" Математики выяснили, что свойства метаматериалов можно в теории изменить так, что набор из нескольких разных кусочков таких соединений сможет производить сложные математические операции с одиночными лучами света.

С чисто физической точки зрения метаматериалы представляютсобой искусственно сформированные и особым образом выстроенныеструктуры, обладающие недостижимыми в природе электромагнитными или оптическими свойствами.Последние определяются даже нехарактеристиками составляющих их веществ, а именно структурой.Ведь из одинаковых материалов можно построить похожие внешне дома, но один будет обладать отличной звукоизоляцией, а в другом вы будете слышать даже дыхание соседа из квартиры напротив. В чем же секрет? Только в умении строителя распоряжаться предоставленными средствами.

На данный момент материаловеды уже создали немало структур, свойства которых не встречаются в природе, хотя и не выходят за рамки физических законов. Например, один из созданных метаматериалов может управлять звуковыми волнами так ювелирно, что те удерживают в воздухе небольшой шарик. Он состоит из двух решеток, собранных при помощи кирпичиков, заполненных термопластовыми стержнями, которые уложены "змейкой". Звуковая волна фокусируется словно свет в линзе, и исследователи считают, что данное устройство позволит им развить управление звуком до возможности изменять его направление, как сейчас меняют ход светового луча при помощи оптики.

Другой метаматериал может перестраивать сам себя. Объект из него собирается без помощи рук, ведь изменение формы можно запрограммировать! Структура такого "умного" материала состоит из кубов, каждую стенку которых составляют два внешних слоя из полиэтилентерефталата и один внутренний из двусторонней клейкой ленты. Эта конструкция позволяет изменить форму, объем и даже жесткость объекта.

Но самыми удивительными свойствами обладают оптические метаматериалы, которые могут менять визуальное восприятие реальности. Они "работают" в диапазоне волн, которые видит человеческий глаз. Именно из таких материалов ученые создали ткань, из которой можно изготовить плащ-невидимку.

Правда, пока невидимым в оптическом диапазоне можно сделать только микрообъект.

Возможность создания материала с отрицательным углом преломления предсказалеще в 1967 году советский физик Виктор Веселаго, но только сейчас появляются первые образцы реальных структур с такими свойствами. Благодаря отрицательному углупреломления , лучи света огибают объект, делая его невидимым. Таким образом, наблюдатель замечает лишь то, что происходит за спиной надевшего "чудесный" плащ.

Последнее достижение в создании оптических метаматериалов принадлежит российским ученым из НИТУ "МИСиС". Причем "ингредиенты" использовались самые обычные — воздух, стекло и вода. Работа ученых удостоилась публикации в одном из самых высокорейтинговых журналов мира Scientific Reports издательского дома Nature . , каждый такой образец может стоить тысячи евро, — подчеркнул научный сотрудник лаборатории "Сверхпроводящие метаматериалы" НИТУ "МИСиС", кандидат технических наук Алексей Башарин.— К тому же вероятность ошибки при формовании такой системы очень высока даже с применением самых высокоточных инструментов.Однако если создать более крупномасштабный материал, в котором будут не оптические (400-700 нм), а радиоволны(длиной в 7-8 см), физика процесса от такого масштабирования не изменится, зато технология их создания станет проще."

Изучая свойства созданных структур, авторы работы показали, что у такого типа веществ есть сразу несколько практических применений.Прежде всего это сенсоры сложных молекул, так как последние, попадая в поле метаматериала, начинают светиться. Таким способом можно определять даже единичные молекулы, что потенциально может существенно отразиться на развитии, например, судебной криминалистики. Кроме того, такой метаматериал можно использовать как светофильтр, выделяя из падающего излучения свет определенной длины.Еще он применим как основа для создания сверхнадежной магнитной памяти, потому что структура ячеек метаматериала не дает им перемагничивать друг друга и тем самым терять информацию.

Метаматериалы .

Как было сказано выше, резкий перелом наступил в начале 21 века, когда в работах Дэвида Смита из Калифорнийского университета в Сан-Диего было сообщено о создании композитного материала, который мог характеризоваться отрицательными значениями и , и, тем самым, отрицательным значением . Этот материал состоял из многих медных стерженьков и колечек (рис. 4, рис. 5), расположенных в строгом геометрическом порядке. Стерженьки, по сути дела, являлись антеннами, которые реагировали на электрическое поле, а колечки были антеннами, которые реагировали на магнитное поле. Размеры этих элементов и расстояние между ними были менее длины волны, а вся система в целом обладала отрицательными эффективными значениями и .

Рис. 4. Метаматериал группы из Сан-Диего 2000г.

Рис. 5. Метаматериал группы из Сан-Диего 2001г.

В работе был изложен результат прямого измерения угла преломления для призмы (рис. 6), приготовленной из данного композита, и этот эксперимент показал полную справедливость для данного материала соотношения (2) при отрицательном .

Рис. 6. Экспериментальная установка

Мы говорим метаматериал, но все же что же это такое. Метаматериалы – это композитные материалы, свойства которых обусловлены не столько индивидуальными физическими свойствами их компонентов, сколько микроструктурой. Термин «метаматериалы» особенно часто применяют по отношению к тем композитам, которые демонстрируют свойства, нехарактерные для объектов, встречающихся в природе.

Суперлинзы

Веселаго использовал построение хода лучей, чтобы предсказать, что брус из материала с отрицательным показателем преломления должен действовать как линза с уникальными свойствами. Большинство из нас знакомо с линзами из материалов с положительным преломлением - в камерах, лупах, микроскопах и телескопах. Они имеют фокусное расстояние, и место, где формируется изображение, зависит от сочетания фокусного расстояния и расстояния между объектом и линзой. Изображения обычно отличаются по размеру от объекта, и линзы работают лучше всего для объектов, лежащих на оси, проходящей через линзу. Линза Веселаго работает совершенно иначе, чем обычные: ее работа намного проще, она действует только на объекты, расположенные рядом с ней, и переносит все оптическое поле с одной стороны линзы на другую.

Линза Веселаго столь необычна, что пришлось задаться вопросом: насколько совершенно она может работать? И в частности, каково может быть предельное разрешение линзы Веселаго? Оптические элементы с положительным показателем преломления ограничены дифракционным пределом - они могут разрешать детали, размер которых равен или больше длины волны света, отраженного от объекта.

Дифракция накладывает окончательный предел на все системы создания изображения, наподобие наименьшего объекта, который можно рассмотреть в микроскоп, или наименьшего расстояния между двумя звездами, которое может разрешить телескоп.

Дифракция определяет также наименьшую деталь, которую можно создать в процессе оптической литографии при производстве микрочипов (микросхем). Подобным же образом дифракция ограничивает количество информации, которую можно сохранить или прочитать на оптическом цифровом видеодиске (DVD). Способ обойти дифракционный предел мог бы решительным образом изменить технологии, позволив оптической литографии проникнуть в диапазон наноразмеров и, возможно, в сотни раз увеличить количество данных, сохраняемых на оптических дисках.

Построенная из метаматериала с удивительными оптическими свойствами, суперлинза может создавать изображения с деталями меньше длины волны используемого света.

Почти 40 лет назад советский ученый Виктор Веселаго выдвинул гипотезу о существовании материалов с отрицательным показателем преломления (УФН, 1967, т. 92, с. 517). Световые волны в них должны двигаться против направления распространения луча и вообще вести себя удивительным образом, линзы же из этих материалов — обладать волшебными свойствами и непревзойденными характеристиками. Однако у всех известных веществ показатель преломления положителен: за нескольких лет интенсивных поисков Веселаго не нашел ни одного материала с подходящими электромагнитными свойствами, и его гипотеза была забыта. О ней вспомнили лишь в начале XXI в. (см.: ).

Благодаря последним достижениям в области материаловедения идея Веселаго была возрождена. Электромагнитные свойства веществ определяются особенностями образующих их атомов и молекул, обладающих довольно узким диапазоном характеристик. Поэтому свойства миллионов известных нам материалов не так уж разнообразны. Однако в середине 1990-х гг. ученые из Центра технологии материалов им. Маркони в Англии занялись созданием метаматериалов, которые состоят из макроскопических элементов и рассеивают электромагнитные волны совсем не так, как любые известные вещества.

В 2000 г. Дэвид Смит вместе с коллегами из Калифорнийского университета в Сан-Диего изготовил метаматериал с отрицательным показателем преломления. Поведение света в нем оказалось настолько странным, что теоретикам пришлось переписать книги по электромагнитным свойствам веществ. Экспериментаторы уже занимаются разработкой технологий, в которых используются удивительные свойства метаматериалов, и создают суперлинзы, позволяющие получать изображения с деталями меньше длины волны используемого света. С их помощью можно было бы делать микросхемы с наноскопическими элементами и записывать на оптические диски огромные объемы информации.

Отрицательное преломление

Чтобы понять, как возникает отрицательное преломление, рассмотрим механизм взаимодействия электромагнитного излучения с веществом. Проходящая через него электромагнитная волна (например, луч света) заставляет двигаться электроны атомов или молекул. На это расходуется часть энергии волны, что влияет на ее свойства и характер распространения. Для получения требуемых электромагнитных характеристик исследователи подбирают химический состав материала.

Но как показывает пример метаматериалов, химия — не единственный путь получения интересных свойств вещества. Электромагнитный отклик материала можно «конструировать», создавая крошечные макроскопические структуры. Дело в том, что обычно длина электромагнитной волны на несколько порядков больше размеров атомов или молекул. Волна «видит» не отдельную молекулу или атом, а коллективную реакцию миллионов частиц. Это справедливо и для метаматериалов, элементы которых тоже значительно меньше длины волны.

Поле электромагнитных волн, что следует из их названия, имеет как электрическую, так и магнитную составляющую. Электроны в материале движутся вперед и назад под действием электрического поля и по кругу под действием магнитного. Степень взаимодействия определяется двумя характеристиками вещества: диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью μ . Первая показывает степень реакции электронов на электрическое поле, вторая — степень реакции на магнитное. У подавляющего большинства материалов ε и μ больше нуля.

Оптические свойства вещества характеризуются показателем преломления n , который связан с ε и μ простым соотношением: n = ± √(ε∙μ) . Для всех известных материалов перед квадратным корнем должен стоять знак «+», и поэтому их показатель преломления положителен. Однако в 1968 г. Веселаго показал, что у вещества с отрицательными ε и μ показатель преломления n должен быть меньше нуля. Отрицательные ε или μ получаются в том случае, когда электроны в материале движутся в направлении, противоположном по отношению к силам, создаваемым электрическим и магнитным полями. Хотя такое поведение кажется парадоксальным, заставить электроны двигаться против сил электрического и магнитного полей не так уж сложно.

Если толкнуть маятник рукой, он послушно переместится в направлении толчка и начнет колебаться с так называемой резонансной частотой. Подталкивая маятник в такт с качанием, можно увеличить амплитуду колебаний. Если же толкать его с более высокой частотой, то толчки перестанут совпадать с колебаниями по фазе, и в какой-то момент руку ударит маятник, движущийся ей навстречу. Точно так же электроны в материале с отрицательным показателем преломления входят в противофазу и начинают сопротивляться «толчкам» электромагнитного поля.

Метаматериалы

Свободные электроны в таких контурах колеблются с резонансной частотой, зависящей от формы и размеров проводника. Если приложено поле с частотой ниже резонансной, будет наблюдаться нормальная положительная реакция. Однако с увеличением частоты отклик становится отрицательным, так же как в случае с маятником, движущимся навстречу, если толкать его с частотой выше резонансной. Таким образом, проводники в некотором диапазоне частот могут реагировать на электрическое поле как среда с отрицательной ε , а кольца с разрезами могут имитировать материал с отрицательной μ . Эти проводники и кольца с разрезами и есть элементарные блоки, необходимые для создания широкого ассортимента метаматериалов, в том числе таких, которые искал Веселаго.

Первое экспериментальное подтверждение возможности создания материала с отрицательным показателем преломления было получено в 2000 г. в Калифорнийском университете в Сан-Диего (UCSD ). Поскольку элементарные кирпичики метаматериала должны быть значительно меньше длины волны, исследователи работали с излучением сантиметрового диапазона и использовали элементы размером в несколько миллиметров.

Калифорнийские ученые сконструировали метаматериал, состоящий из чередующихся проводников и РКР, собранных в виде призмы. Проводники обеспечивали отрицательную ε , а кольца с разрезами — отрицательную μ . В результате должен был получиться отрицательный показатель преломления. Для сравнения была изготовлена призма точно такой же формы из тефлона, у которого n = 1,4. Исследователи направили пучок СВЧ-излучения на грань призмы и измерили интенсивность волн, выходящих из нее разными углами. Как и ожидалось, пучок подвергся положительному преломлению на призме из тефлона и отрицательному на призме из метаматериала. Предположение Веселаго стало реальностью: материал с отрицательным показателем преломления был наконец получен. Или же нет?

Желаемое или действительное?

Эксперименты в UCSD наряду с замечательными новыми предсказаниями, которые физики делали о свойствах материалов с отрицательным показателем преломления, вызвали волну интереса среди других исследователей. Когда Веселаго высказал свою гипотезу, метаматериалов еще не было, и специалисты не стали тщательно исследовать феномен отрицательного преломления. Теперь они стали уделять ей гораздо больше внимания. Скептики спрашивали, не нарушают ли материалы с отрицательным показателем преломления фундаментальные законы физики. Если бы это оказалось так, то вся программа исследований была бы поставлена под сомнение.

Самые горячие споры вызвал вопрос о скорости волны в сложном материале. Свет распространяется в вакууме с максимальной скоростью c = 300 тыс. км/с. Скорость света в материале меньше: v = c/n . Но что будет, если n отрицателен? Простая интерпретация формулы для скорости света показывает, что свет распространяется в обратном направлении.

В более полном ответе учитывается, что волна имеет две скорости: фазовую и групповую. Чтобы понять их смысл, представьте себе импульс света, движущийся в среде. Он будет выглядеть примерно так: амплитуда волны возрастает до максимума в центре импульса, а затем снова спадает. Фазовая скорость — это скорость отдельных всплесков, а групповая скорость — это скорость, с которой движется огибающая импульса. Они не обязательно должны быть одинаковыми.

Веселаго обнаружил, что в материале с отрицательным показателем преломления групповая и фазовая скорости имеют противоположные направления: отдельные максимумы и минимумы движутся назад, тогда как весь импульс перемещается вперед. Интересно рассмотреть, как будет себя вести непрерывный пучок света от источника (например, прожектора), погруженного в материал с отрицательным показателем преломления. Если бы можно было наблюдать отдельные колебания световой волны, то мы бы увидели, что они появляются на объекте, освещенном лучом, движутся назад и, в конечном счете, исчезают в прожекторе. Однако энергия светового пучка движется вперед, удаляясь от источника света. Именно в этом направлении фактически распространяется луч, несмотря на удивительное обратное движение его отдельных колебаний.

Практически наблюдать отдельные колебания световой волны трудно, а форма импульса может быть очень сложной, так что физики, чтобы показать различие между фазовой и групповой скоростями, часто используют хитрый трюк. Когда две волны с немного разными длинами движутся в одном направлении, они интерферируют, и возникает картина биений, максимумы которых перемещаются с групповой скоростью.

Применив этот прием к эксперименту UCSD по преломлению в 2002 г., Прашант Валанджу (Prashant М. Valanju) и его коллеги из Техасского университета в Остине наблюдали нечто любопытное. Преломляясь на границе сред с отрицательным и положительным показателем преломления, две волны с разными длинами отклонялись на немного разные углы. Картина биений получалась не такой, как следовало бы для лучей при отрицательном преломлении, а такой, какой должна быть при положительном преломлении. Сопоставляя картину биений с групповой скоростью, исследователи из Техаса заключили, что любая физически осуществимая волна должна испытывать положительное преломление. И хотя материал с отрицательным показателем преломления мог бы существовать, отрицательное преломление получить невозможно.

Как же тогда объяснить результаты экспериментов в UCSD ? Валанджу и многие другие исследователи приписывали наблюдаемое отрицательное преломление другим явлениям. Быть может, образец поглощал так много энергии, что волны выходили наружу только с узкой стороны призмы, имитируя отрицательное преломление? В конце концов, метаматериал UCSD действительно сильно поглощает излучение, а измерения проводились вблизи призмы. Поэтому гипотеза о поглощении выглядит вполне правдоподобно.

Полученные выводы вызвали большое беспокойство: они могли обесценить не только эксперименты UCSD , но и весь круг явлений, предсказанных Веселаго. Однако после некоторых размышлений мы поняли, что полагаться на картину биений как на показатель групповой скорости нельзя: для двух волн, движущихся в разных направлениях, интерференционная картина никак не связана с групповой скоростью.

По мере того, как доводы критиков начали рушиться, появилось еще одно экспериментальное подтверждение отрицательного преломления. Группа Минаса Таниэлиана (Minas Tanielian ) из компании Boeing Phantom Works в Сиэтле повторила эксперимент UCSD с призмой из метаматериала с очень низким поглощением. Кроме того, датчик был расположен намного дальше от призмы, чтобы поглощение в метаматериале нельзя было перепутать с отрицательным преломлением луча. Высочайшее качество новых данных положило конец сомнениям в существовании отрицательного преломления.

Продолжение следует

Когда дым сражения рассеялся, мы начали понимать, что замечательная история, которую рассказал Веселаго, была не последним словом о материалах с отрицательным показателем преломления. Советский ученый пользовался методом геометрического построения световых лучей с учетом отражения и преломления на границах различных материалов. Этот мощный прием помогает понять, например, почему объекты в бассейне кажутся нам ближе к поверхности, чем на самом деле, и почему наполовину погруженный в жидкость карандаш представляется изогнутым. Все дело в том, что коэффициент преломления воды (n = 1,3) больше, чем у воздуха, и лучи света на границе между воздухом и водой преломляются. Показатель преломления приблизительно равен отношению реальной глубины к кажущейся.

Веселаго использовал построение хода лучей, чтобы предсказать, что брус из материала с отрицательным показателем преломления n = −1 должен действовать как линза с уникальными свойствами. Большинство из нас знакомо с линзами из материалов с положительным преломлением — в камерах, лупах, микроскопах и телескопах. Они имеют фокусное расстояние, и место, где формируется изображение, зависит от сочетания фокусного расстояния и расстояния между объектом и линзой. Изображения обычно отличаются по размеру от объекта, и линзы работают лучше всего для объектов, лежащих на оси, проходящей через линзу. Линза Веселаго работает совершенно иначе, чем обычные: ее работа намного проще, она действует только на объекты, расположенные рядом с ней, и переносит все оптическое поле с одной стороны линзы на другую.

Линза Веселаго столь необычна, что Джону Пендри (John B. Pendry ) пришлось задаться вопросом: насколько совершенно она может работать? И в частности, каково может быть предельное разрешение линзы Веселаго? Оптические элементы с положительным показателем преломления ограничены дифракционным пределом — они могут разрешать детали, размер которых равен или больше длины волны света, отраженного от объекта. Дифракция накладывает окончательный предел на все системы создания изображения, наподобие наименьшего объекта, который можно рассмотреть в микроскоп, или наименьшего расстояния между двумя звездами, которое может разрешить телескоп. Дифракция определяет также наименьшую деталь, которую можно создать в процессе оптической литографии при производстве микрочипов (микросхем). Подобным же образом дифракция ограничивает количество информации, которую можно сохранить или прочитать на оптическом цифровом видеодиске (DVD). Способ обойти дифракционный предел мог бы решительным образом изменить технологии, позволив оптической литографии проникнуть в диапазон наноразмеров и, возможно, в сотни раз увеличить количество данных, сохраняемых на оптических дисках.

Чтобы определить, действительно ли оптика с отрицательным преломлением могла бы превзойти обычную («положительную») оптику, нам следует продвинуться дальше, чем просто рассмотреть ход лучей. Прежний подход пренебрегает дифракцией, и таким образом его нельзя использовать, чтобы предсказать разрешение линз с отрицательным преломлением. Чтобы включить в рассмотрение дифракцию, нам пришлось использовать более точное описание электромагнитного поля.

Суперлинза

При более точном описании электромагнитные волны любых источников — излучающих атомов, радиоантенн или пучка света, — после прохождения через маленькое отверстие создают два разных типа полей: дальнее и ближнее поле. Дальнее поле, на что указывает его название, наблюдается вдали от объекта и улавливается линзой, формируя изображение объекта. К сожалению, это изображение содержит только грубую картину объекта, в которой дифракция ограничивает разрешение величиной длины волны. Ближнее поле содержит все мельчайшие детали объекта, но его интенсивность быстро падает с расстоянием. Линзы с положительным преломлением не дают никакого шанса на перехват чрезвычайно слабого ближнего поля и передачу его данных в изображение. Однако это не так для линз с отрицательным преломлением.

Подробно исследовав, как ближние и дальние поля источника взаимодействуют с линзой Веселаго, Пендри в 2000 г. к всеобщему удивлению пришел к заключению, что линза, в принципе, может фокусировать как ближние, так и дальние поля. Если бы это ошеломляющее предсказание оказалось верным, это означало бы, что линза Веселаго, в отличие от всей другой известной оптики, не подчиняется дифракционному пределу. Поэтому плоскую структуру с отрицательным преломлением назвали суперлинзой.

При последующем анализе мы и другие исследователи нашли, что разрешение суперлинзы ограничено качеством ее материала с отрицательным преломлением. Для лучшей работы требуется не только чтобы показатель преломления n был равен −1, но также чтобы ε и μ оба были равны −1. Линза, у которой эти условия не выполняются, имеет резко ухудшенное разрешение. Одновременное выполнение этих условий — очень серьезное требование. Но в 2004 г. Энтони Грбич (Anthony Grbic ) и Джордж Элефтериадес (George V. Eleftheriades ) из Университета Торонто экспериментально показали, что метаматериал, построенный так, чтобы иметь ε =−1, и μ =−1 в диапазоне радиочастот, действительно может разрешить объекты в масштабе меньшем, чем дифракционный предел. Их результат доказал, что суперлинзу можно построить, но можно ли ее создать для еще более коротких — оптических длин волн?

Сложность масштабирования метаматериалов в область оптических длин волн имеет две стороны. Прежде всего, металлические проводящие элементы, образующие микросхемы метаматериала, типа проводников и колец с разрезом, нужно уменьшить до масштаба нанометров, чтобы они были меньше, чем длина волны видимого света (400-700 нм). Во вторых, короткие длины волн соответствуют более высоким частотам, а металлы на таких частотах обладают худшей проводимостью, подавляя таким образом резонансы, на которых основаны свойства метаматериалов. В 2005 г. Костас Соуколис (Costas Soukoulis ) из университета штата Айова и Мартин Вегенер (Martin Wegener ) из университета Карлсруэ в Германии экспериментально продемонстрировали, что можно сделать кольца с разрезами, которые работают при длинах волн всего 1,5 мкм. Несмотря на то, что при столь малых длинах волн резонанс на магнитной компоненте поля становится весьма слабым, с такими элементами все еще можно сформировать интересные метаматериалы.

Но мы пока еще не можем изготовить материал, который при длинах волн видимого света приводит к μ =−1. К счастью, возможен компромисс. Когда расстояние между объектом и изображением намного меньше, чем длина волны, необходимо выполнить только условие ε =−1, а значением μ можно пренебречь. Как раз в прошлом году группа Ричарда Блэйки (Richard Blaikie ) из университета Кентербери в Новой Зеландии и группа Ксианга Джанга (Xiang Zhang ) из Калифорнийского университета в Беркли, следуя этим предписаниям, независимо продемонстрировали сверхразрешение в оптической системе. При оптических длинах волн собственные резонансы металла могут приводить к отрицательной диэлектрической постоянной (ε). Поэтому очень тонкий слой металла при длине волны, где ε =−1, может действовать как суперлинза. И Блэйки, и Джанг использовали слой серебра толщиной около 40 нм, чтобы получить изображение пучков света с длиной волны 365 нм, испускаемых сформированными отверстиями, меньшими, чем длина волны света. И хотя серебряная пленка далека от идеальной линзы, серебряная суперлинза существенно улучшала разрешение изображения, доказывая правильность основного принципа работы суперлинзы.

Взгляд в будущее

Демонстрация работы суперлинзы — лишь последнее из многих предсказаний свойств материалов с отрицательным преломлением, которые предстоит реализовать, а это признак быстрого прогресса, происходящего в этой все расширяющейся области. Возможность отрицательного преломления заставила физиков пересмотреть практически всю область электромагнетизма. И когда этот круг идей будет полностью понят, основные оптические явления, такие как преломление и дифракционный предел разрешения, придется пересмотреть с учетом новых неожиданных поворотов, связанных с материалами, дающими отрицательное преломление.

Волшебство метаматериалов и магию отрицательного преломления все-таки необходимо «конвертировать» в прикладную технологию. Такой шаг потребует совершенствования конструкции метаматериалов и производства их по разумной цене. Сейчас в этой области действует множество исследовательских групп, энергично разрабатывающих способы решения проблемы.

Теория и практика Виктора Веселаго

Судьба Виктора Георгиевича Веселаго, доктора физико-математических наук, сотрудника ИОФАНа и профессора Московского физико-технического института сыграла с ним интересную шутку. Посвятив всю жизнь практике и эксперименту, международное признание он получил за теоретическое предсказание одного из интереснейших феноменов электродинамики.

Судьбоносная случайность

Виктор Георгиевич Веселаго родился 13 июня 1929 году на Украине и, по его словам, до определенного момента физикой не интересовался. А затем произошла одна из тех судьбоносных случайностей, которые меняют не только направление жизни человека, но и, в конечном счете, вектор развития науки. В седьмом классе мальчик заболел и, чтобы скоротать время, стал читать все книги подряд. Среди них оказалась и «Что такое радио?» Кина, прочитав которую, школьник не на шутку увлекся радиотехникой. В конце десятого класса, когда встал вопрос выбора вуза, один из приятелей обмолвился, что в Московском университете открывается новый физико-технический факультет, где помимо других специальностей есть и радиофизика.

Абитуриентам ФТФ МГУ предстояло выдержать «марафон» из девяти экзаменов. На первом же из них — письменной математике — Веселаго получил «двойку»... Сегодня он объясняет такой «конфуз» тем, что просто растерялся, оказавшись в огромной аудитории, где чувствовал себя в буквальном смысле слова песчинкой. На следующий день, когда он пришел забирать документы, заместитель декана Борис Осипович Солоноуц (которого за глаза называли просто БОС) посоветовал ему все-таки прийти на следующий экзамен. Поскольку терять было нечего, молодой человек так и поступил. Все остальные восемь экзаменов сдал на пятерки и был принят. Уже потом, спустя много лет, выяснилось, что таких «неудачников» оказалось довольно много, и деканат решил не отсеивать абитуриентов по результату первого экзамена.

Затем были четыре года учебы, которые сейчас Виктор Георгиевич называет самым счастливым временем своей жизни. Студентам читали лекции такие светила, как Петр Леонидович Капица, Лев Давидович Ландау... Летнюю практику Виктор Веселаго проходил на радиоастрономической станции в Крыму, где познакомился с ее руководителем, сотрудником ФИАНа профессором Семеном Эммануиловичем Хайкиным. Оказалось, что именно он написал ту самую книгу «Что такое радио?», подписавшись псевдонимом Кин.

В 1951 году физико-технический факультет МГУ был закрыт — он «перерос» в Московский физико-технический институт, а студентов бывшего ФТФ распределили по другим факультетам. Виктор Георгиевич оказался на физическом факультете МГУ и формально окончил именно его, но считает себя выпускником Физтеха. Дипломную работу Веселаго защищал у Александра Михайловича Прохорова в Физическом институте им. П.Н.Лебедева, где потом и продолжил работать под его руководством. Сначала — в ФИАНе, а с 1982 года и по сей день — в отпочковавшемся от него Институте общей физики (ИОФАНе, который сейчас носит имя А.М.Прохорова).

Строительство «Соленоида»

Для получения сверхсильных магнитных полей в 1960-х годы в ФИАНе шло строительство установки под названием «Соленоид». Проектированием занимался ГИПРОНИИ, но основные элементы проекта Виктор Георгиевич разрабатывал сам. Он до сих пор считает, что одним из его важнейших достижений, помимо научных, стал пандус, позволяющий завозить на первый этаж тележки с тяжелым оборудованием. За создание установки для получения сильных магнитных полей Веселаго вместе с рядом сотрудников ФИАН и других научных организаций получил в 1974 году Государственную премию.

Левые и правые

В 1960-е годы Виктор Георгиевич заинтересовался материалами, которые одновременно являются и полупроводниками, и ферромагнетиками. В 1967 году в журнале «Успехи физических наук» (УФН) он опубликовал статью под названием «Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ε и μ», где впервые был введен термин «вещества с отрицательным показателем преломления n» и описывались их возможные свойства.

Как объяснил ученый, полупроводниковые свойства описываются через величину эпсилон (ε) — диэлектрическую проницаемость, а магнитные свойства через величину мю (μ) — магнитную проницаемость. Названные величины, как правило, положительны, хотя известны вещества, где ε отрицательно, а μ положительно, или наоборот. Веселаго задался вопросом: что будет, если обе величины будут отрицательными? С математической точки зрения такое возможно, а с физической? Виктор Георгиевич показал, что подобное состояние не противоречит законам природы, но электродинамика таких материалов заметно отличается от тех, где и одновременно больше нуля. Прежде всего тем, что в них фазовая и групповая скорости электромагнитного колебания направлены в разные стороны (в обычной среде — в одну сторону).

Материалы с отрицательным коэффициентом преломления Веселаго назвал «левыми», а с положительным — соответственно, «правыми», исходя из взаимного расположения тройки векторов, характеризирующих распространение электромагнитных колебаний. Преломление на границе двух таких сред происходит зеркально относительно оси z.

Теоретически обосновав свои идеи, Виктор Георгиевич попытался реализовать их на практике, в частности, в магнитных полупроводниках. Однако получить искомый материал не удалось. И только в 2000 г. группа ученых из Калифорнийского университета в Сан-Диего в США, использовав композитную среду, доказала, что отрицательное преломление возможно. Исследования Виктора Веселаго не только положили начало новому научному направлению (см.: Д. Пэндри, Д. Смит. В поисках суперлинзы), но и позволили уточнить некоторые физические формулы, описывающие электродинамику веществ. Дело в том, что целый ряд формул, приводимых в учебниках, применим лишь в так называемом немагнитном приближении, то есть тогда, когда магнитная проницаемость равняется единице, а именно — для частного случая немагнитных материалов. Но для веществ, магнитная проницаемость которых отлична от единицы или отрицательна, нужны другие, более общие выражения. Указание на это обстоятельство Веселаго также считает важным результатом своей работы.

Шаг в будущее

После пророческой статьи исследователь, верный принципу менять тематику каждые 5-6 лет, увлекся новыми направлениями: магнитными жидкостями, фотомагнетизмом, сверхпроводимостью.

В целом, по его воспоминаниям, за время работы в ФИАНе-ИОФАНе он прошел стандартный путь «советского ученого» — от студента-дипломника до доктора наук, заведующего отделом сильных магнитных полей, который к концу 1980-х годов включал около 70 человек, работавших по 5-7 разным направлениям. По сути, отдел был маленьким институтом в институте, который за это время выпустил более 30 кандидатов наук.

Сейчас Виктор Георгиевич руководит лабораторией магнитных материалов отдела сильных магнитных полей ИОФАН им. А. М. Прохорова. За цикл работ «Основы электродинамики сред с отрицательным коэффициентом преломления» в 2004 году ему была присуждена премия имени академика В.А. Фока.

Виктор Георгиевич более 40 лет преподает в Московском физико-техническом институте. Сейчас он — профессор кафедры прикладной физики факультета проблем физики и энергетики, читает созданный им курс «Основы физики колебаний», а также ведет семинарские и лабораторные занятия на кафедре общей физики.

В. Г. Веселаго принадлежит к редкому типу ученых, для которых характерна широта научных интересов. Он прекрасный теоретик и одновременно — физик-экспериментатор, инженер, конструктор установок с сильными магнитными полями. Он талантлив и как профессор, сделавший большой вклад в преподавание общей физики в МФТИ, воспитавший множество учеников. Именно эти черты ученого делают личность Виктора Георгиевича такой привлекательной.

Вторжение во всемирную паутину

В последние 15 лет физик снова сменил или, вернее, расширил круг своих интересов, став инициатором двух сетевых проектов.

В 1993 году была организована служба «Инфомаг», занимающаяся распространением среди ученых оглавлений научных и технических журналов и зарубежных научных электронных бюллетеней. Всё началось с того, что ИОФАН одним из первых был подключен к Интернету. Обзаведясь первым электронным адресом, Веселаго заинтересовался телеконференциями по физике и начал получать бюллетень Physics News Update , которую пересылал своим коллегам. Затем он организовал рассылку содержания и других научных журналов. Первыми изданиями, предоставившими информацию службе «Инфомаг», стали «Журнал экспериментальной и теоретической физики» (ЖЭТФ), «Письма в ЖЭТФ» и «Приборы и техника эксперимента». Сейчас список включает более 150 наименований.

Успех «Инфомага» способствовал созданию и второго «детища» Веселаго — первого в России многопредметного электронного научного журнала «Исследовано в России» , который начал свое существование в 1998 году. Он выходит только в электронном виде, и в нем публикуется около 250 статей в год, как из области естественных, так и гуманитарных наук.

По мнению Виктора Георгиевича, потребность в электронных научных публикациях в России очень велика, причем не только в качестве самостоятельных единиц, но и в рамках сетевых версий печатных изданий. В России выходит несколько сот академических научных и технических журналов, но подавляющее большинство из них недоступно в электронном виде, и потому отечественные специалисты не имеют оперативного доступа к результатам работы своих коллег, что мешает плодотворному и оперативному диалогу ученых.

Виктор Георгиевич Веселаго

Почти 40 лет назад советский ученый Виктор Веселаго выдвинул гипотезу о существовании материалов с отрицательным показателем преломления:

Метаматериалы - это композитные материалы, свойства которых обусловлены не столько индивидуальными физическими свойствами их компонентов, сколько микроструктурой. Термин «метаматериалы» особенно часто применяют по отношению к тем композитам, которые демонстрируют свойства, нехарактерные для объектов, встречающихся в природе.

Волновое уравнение

Из уравнений Максвелла для однородной нейтральной непроводящей среды следует, что в электромагнитных полях возможно распространение электромагнитных волн с фазовой скоростью

В вакууме эта скорость равна скорости распространения света

Таким образом фазовая скорость распространения э-м. волн в веществе определяется магнитной и диэлектрической проницаемостью сред.

Отношение скорости света в вакууме к|до| скорости света в среде - n называют абсолютным показателем преломления среды

Виктор Веселаго выдвинул такую гипотезу:

«Если не учитывать потерь и считать n, ε и μ действительными числами, то видно, что одновременная смена знаков ε и μ никак не отражается на соотношении. Такое положение может быть объяснено различными способами. Во-первых, можно признать, что свойства веществ действительно не зависят от одновременной смены знаков ε и μ. Во-вторых, может оказаться, что одновременная отрицательность ε и μ противоречит каким-либо основным законам природы, и поэтому вещества с ε < 0 и μ < 0 не могут существовать. Наконец, следует признать, что вещества с отрицательными ε и μ обладают какими-то свойствами, отличными от свойств веществ с положительными ε и μ. Как мы увидим в дальнейшем, осуществляется именно этот третий случай.»

«Правые» и «Левые» изотропные среды

Пусть в однородной нейтральной непроводящей среде в направлении оси х распространяется плоская электромагнитная волна, волновой фронт которой перпендикулярен направлению распространения.

Векторы и образуют с направлением распространения волны правовинтовую систему, в фиксированной точке пространства меняются с течением времени по гармоническому закону в одной фазе.

Такие среды, соответственно, называют «правыми».

Среды, у которых ε, μ — одновременно отрицательные, называют «левыми».

У таких сред электрический, магнитный и волновой вектора образуют систему левых векторов.

Действительно, если толкнуть маятник рукой, он послушно переместится в направлении толчка и начнет колебаться с так называемой резонансной частотой. Подталкивая маятник в такт с качанием, можно увеличить амплитуду колебаний. Если же толкать его с более высокой частотой, то толчки перестанут совпадать с колебаниями по фазе, и в какой-то момент руку ударит маятник, движущийся ей навстречу. Точно так же электроны в материале с отрицательным показателем преломления входят в противофазу и начинают сопротивляться «толчкам» электромагнитного поля.

Таким образом в 1968 г. Веселаго показал, что у вещества с отрицательными ε и μ показатель преломления n должен быть меньше 0.

Экспериментальное подтверждение .

Электроны в материале движутся вперед и назад под действием электрического поля и по кругу под действием магнитного. Степень взаимодействия определяется двумя характеристиками вещества: диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью μ. Первая показывает степень реакции электронов на электрическое поле, вторая — степень реакции на магнитное. У подавляющего большинства материалов ε и μ больше нуля.

Отрицательные ε или μ получаются в том случае, когда электроны в материале движутся в направлении, противоположном по отношению к силам, создаваемым электрическим и магнитным полями. Хотя такое поведение кажется парадоксальным, заставить электроны двигаться против сил электрического и магнитного полей не так уж сложно.

Где и как такие вещества искать?

Первое экспериментальное подтверждение возможности создания материала с отрицательным показателем преломления было получено в 2000 г. в Калифорнийском университете в Сан-Диего (UCSD). Поскольку элементарные кирпичики метаматериала должны быть значительно меньше длины волны, исследователи работали с излучением сантиметрового диапазона и использовали элементы размером в несколько миллиметров.

Ключ к такого рода отрицательной реакции — резонанс, то есть стремление колебаться со специфической частотой. Он создается в метаматериале искусственно с помощью крошечных резонансных контуров, имитирующих отклик вещества на магнитное или электрическое поле. Например, в разорванном кольцевом резонаторе (РКР) магнитный поток, проходящий через металлическое кольцо, наводит в нем круговые токи, аналогичные токам, обуславливающим магнетизм некоторых материалов. А в решетке из прямых металлических стержней электрическое поле создает направленные вдоль них токи. Свободные электроны в таких контурах колеблются с резонансной частотой, зависящей от формы и размеров проводника. Если приложено поле с частотой ниже резонансной, будет наблюдаться нормальная положительная реакция. Однако с увеличением частоты отклик становится отрицательным, так же как в случае с маятником, движущимся навстречу, если толкать его с частотой выше резонансной. Таким образом, проводники в некотором диапазоне частот могут реагировать на электрическое поле как среда с отрицательной ε, а кольца с разрезами могут имитировать материал с отрицательной μ. Эти проводники и кольца с разрезами и есть элементарные блоки, необходимые для создания широкого ассортимента метаматериалов, в том числе таких, которые искал Веселаго.

Калифорнийские ученые сконструировали метаматериал, состоящий из чередующихся проводников и РКР, собранных в виде призмы. Проводники обеспечивали отрицательную ε, а кольца с разрезами — отрицательную μ. В результате должен был получиться отрицательный показатель преломления. Для сравнения была изготовлена призма точно такой же формы из тефлона, у которого n = 1,4. Исследователи направили пучок СВЧ-излучения на грань призмы и измерили интенсивность волн, выходящих из нее разными углами. Как и ожидалось, пучок подвергся положительному преломлению на призме из тефлона и отрицательному на призме из метаматериала.

Следствия.

Преломление на границе раздела двух сред с различной правизной.

Суперлинза.

Простая плоскопараллельная пластинка из метаматериала с n<0 может фокусировать лучи от источника на малом расстоянии от неё см. рисунок ниже.

Плоскопараллельная пластинка из метаматериала с n<0

В правой среде пространство изображений линзы нетождественно самому предмету так как оно формируется без затухающих (evanescent) волн. В левой среде затухающие волны не затухают, даже наоборот их амплитуда увеличивается при удалении волны от предмета, поэтому изображение формируется с участием затухающих волн, что может позволит получать изображения с лучшим, чем дифракционный предел, разрешением. Возможно преодоление дифракционного предела при создании таких оптических систем, повышение с их помощью разрешающей способности микроскопов, создание микросхем наномасштаба, повышение плотности записи на оптические носители информации.

Отрицательное давление

Отражение луча, распространяющегося в среде с n < 0, от идеально отражающей поверхности. Луч света при отражении от тела увеличивает свой импульс на величину , (N-число падающих фотонов). Световой давление, оказываемое светом на поглощающие правые среды, сменяется его притяжением в левой среде.

Новости

В начале 2007 г. было заявлено о создании метаматериала с отрицательным показателем преломления в видимой области. У материала показатель преломления на длине волны 780нм был равен −0.6

В 2011 году вышли статьи- в США апробирована технология, которая позволяет в массовом порядке производить большие листы метаматериалов

Метаматериалы методом печати

Вывод

Изучение и создание новых метаматериалов с уникальными свойствами позволит в ближайшем будущем значительно продвинуться вперёд человечеству во многих областях науки и техники. Это и астрономические исследования благодаря суперлинзам, преодолевающим дифракционный предел разрешения; альтернативные источники энергии - появятся новые солнечные батареи с КПД более 20%; материалы - невидимки и т.д. Количество направлений в исследованиях огромно и самое главное, они успешны.

Так соборы кристаллов сверхжизненных
Добросовестный свет-паучок,
Распуская на ребра, их сызнова
Собирает в единый пучок.
О.Мандельштам

Детская задачка «Что тяжелее, килограмм ваты или килограмм железных опилок?» поставит в затруднение разве что несообразительного первоклассника. Гораздо интереснее порассуждать на тему: «Какими свойствами будет обладать материал, который мы получим, если тщательно смешаем мелко измельченную вату и железные опилки?» Интуитивно понятно: чтобы ответить на этот вопрос, надо вспомнить свойства железа и ваты, после чего можно с уверенностью утверждать, что полученный материал наверняка будет, например, реагировать на присутствие магнита и воды. Однако всегда ли свойства многофазного материала определяются исключительно свойствами образующих его компонентов? Хочется ответить на этот вопрос положительно, ведь сложно представить себе, скажем, смесь диэлектриков (например, опилок и пенопластовых шариков), которая проводит электрический ток.

«Такое бывает только в сказках!» - постарается реабилитироваться первоклассник, вспомнив многочисленных колдунов и волшебниц из детских сказок, которые, смешивая всевозможные мухоморы, лягушачьи лапки и крылья летучих мышей, получали магические порошки, волшебные свойства которых, строго говоря, мухоморам и лягушачьим лапкам несвойственны. Впрочем, как это ни удивительно, современная наука знает примеры того, как совмещение вполне заурядных материалов позволяет создавать объекты, свойства которых не только не присущи используемым компонентам, но, в принципе, не могут быть найдены в природе и, как может показаться на первый взгляд, запрещены законами физики. «Это чудо!», - скажет первоклассник. «Нет, это метаматериалы!» - возразит современный ученый. И оба будут по-своему правы, потому что с точки зрения классической науки метаматериалы способны творить самые настоящие чудеса. Впрочем, сам процесс создания метаматериала тоже подобен волшебству, т.к. компоненты метаматериала недостаточно просто смешать, их необходимо правильно структурировать.

Одним из наиболее горячо обсуждаемых в последнее время типов метаматериалов являются объекты с отрицательным показателем преломления. Из курса школьной физики хорошо известно, что показатель преломления среды (n ) является величиной, показывающей во сколько раз фазовая скорость электромагнитного излучения в среде (V ) меньше скорости света в вакууме (c ): n = c / V . Показатель преломления вакуума равен 1 (что, собственно, следует из определения), тогда как для большинства оптических сред он больше. Например, обычное силикатное стекло имеет показатель преломления 1.5, а значит, свет распространяется в нем со скоростью в 1.5 раза меньше, чем в вакууме. Важно отметить, что в зависимости от длины волны электромагнитного излучения величина n может различаться.

Чаще всего о коэффициенте преломления материала вспоминают тогда, когда рассматривают эффект преломлении света на границе раздела двух оптических сред. Данное явление описывается законом Снеллиуса:

n 1 ·sinα = n 2 ·sinβ,

где α - угол падения света, пришедшего из среды с показателем преломления n 1 , а β - угол преломления света в среде с показателем преломления n 2 .

Для всех сред, которые могут быть найдены в природе, лучи падающего и преломленного света находятся по разные стороны от нормали, восстановленной к границе раздела сред в точке преломления (Рис.1а). Однако если формально подставить в закон Снеллиуса n 2 <0, реализуется ситуация, которая еще до недавнего времени казалась физикам абсурдной: лучи падающего и преломленного света находятся по одну сторону от нормали (Рис.1б).

На теоретическую возможность существования уникальных материалов с отрицательным показателем преломления указал советский физик В.Веселаго почти 40 лет назад. Дело в том, что коэффициент преломления связан с двумя другими фундаментальными характеристиками вещества, диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью μ, простым соотношением: n 2 = ε·μ. Несмотря на то, что данному уравнению удовлетворяют как положительные, так и отрицательные значения n, ученые долго отказывались верить в физический смысл последних - до тех пор, пока Веселаго не показал, что n < 0 в том случае, если одновременно ε < 0 и μ < 0.

Природные материалы с отрицательной диэлектрической проницаемостью хорошо известны - это любой металл при частотах выше плазменной частоты (при которой металл становится прозрачным). В этом случае ε < 0 достигается за счет того, что свободные электроны в металле экранируют внешнее электромагнитное поле. Гораздо сложнее создать материал с μ < 0, в природе такие материалы не существуют. Именно по этой причине работы Веселаго долгое время не привлекали должного внимания научной общественности. Прошло 30 лет, прежде чем английский ученый Д.Пендри (John Pendry) в 1999 г. показал, что отрицательная магнитная проницаемость может быть получена для проводящего кольца с зазором. Если поместить такое кольцо в переменное магнитное поле, в кольце возникнет электрический ток, а на месте зазора возникнет дуговой разряд. Поскольку металлическому кольцу можно приписать индуктивность L, а зазору соответствует эффективная емкость С, систему можно рассматривать как простейший колебательный контур с резонансной частотой ω 0 ~ 1/(LC) -1/2 . При этом система создает собственное магнитное поле, которое будет положительным при частотах переменного магнитного поля ω < ω 0 и отрицательным при ω > ω 0 .

Таким образом, возможны системы с отрицательным откликом как на электрическую, так и на магнитную компоненту электромагнитного излучения. Объединить обе системы в одном материале впервые удалось американским исследователям под руководством Д.Смита (David Smith) в 2000г. Созданный метаматериал состоял из металлических стержней, ответственных за ε < 0, и медных кольцевых резонаторов, благодаря которым удалось добиться μ < 0. Несомненно, структуру, изображенную на Рис.2, сложно назвать материалом в традиционном смысле этого слова, поскольку она состоит из отдельных макроскопических объектов. Между тем, данная структура «оптимизирована» для микроволнового излучения, длина волны которого значительного больше отдельных структурных элементов метаматериала. Поэтому с точки зрения микроволн последний также однороден, как например, оптическое стекло для видимого света. Последовательно уменьшая размеры структурных элементов можно создавать метаматериалы с отрицательным показателем преломления для терагерцового и инфракрасного диапазонов спектра. Ученые ожидают, что благодаря достижениям современных нанотехнологий в самое ближайшее время будут созданы метаматериалы и для видимого диапазона спектра.

С точки зрения физики метаматериалы с отрицательным показателем преломления являются антиподами обычных материалов. В случае отрицательного показателя преломления происходит обращение фазовой скорости электромагнитного излучения; допплеровский сдвиг происходит в противоположную сторону; черенковское излучение от движущейся заряженной частицы происходит не вперед, а назад; собирающие линзы становятся рассеивающими и наоборот... И все это - лишь небольшая часть тех удивительных явлений, которые возможны для метаматериалов с отрицательным показателем преломления. Практическое использование таких материалов, в первую очередь, связано с возможностью создания на их основе терагерцовой оптики, что, в свою очередь, приведет к развитию метеорологии и океанографии, появлению радаров с новыми свойствами и средств всепогодной навигации, устройств дистанционной диагностики качества деталей и систем безопасности, позволяющих обнаружить под одеждой оружие, а также уникальных медицинских приборов.

Литература

D.R. Smith, W.J. Padilla, D.C. Vier, S.C. Nemat-Nasser, S. Schultz, Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity, Physical Review Letters 84 (2000) 4184.