Ученые изобрели «плащ-невидимку»!

Благодаря нанотехнологии исследователи сделали шаг вперед, создав устройство для «оптической маскировки», которое способно сделать объекты невидимыми, обводя свет вокруг всего, то помещено под этот «плащ-невидимку».

Инженеры из университета Пердью, опираясь на математические руководство, разработанное в 2006 году британскими физиками, создали теоретическую модель, в которой применяется множество крошечных игл, торчащих наружу из центральной спицы. Модель, напоминающая круглую щетку, отклоняет свет вокруг маскируемого объекта. Объекты на заднем плане будут видны, но объект, окруженный цилиндрическим массивом наноигл, станет невидимым, утверждают Владимир Шалаев, профессор электрического и компьютерного инжиниринга в университете Пердью.


Эти два изображения (вверху – без плаща, внизу – с плащом) были взяты из соответствующего видео, показывающего проведенные в Пердью научные симуляции. Они демонстрируют, как объекты можно «накрыть плащом-невидимкой» и сделать их невидимыми. Новые открытия показывают, как замаскировать объекты для любой длины волны, но не для всего частотного диапазона видимого спектра. Но исследование сделало шаг вперед – было создано оптическое устройство для маскировки, которое когда-нибудь, вероятно, сработает для всех длин волн видимого света. Видео демонстрирует, как свет взаимодействует с объектом без «плаща» и под ним. В раскрытом виде, как показано на первом изображении, световые волны ударяются в объект и отскакивают назад. На втором изображении видно, что маскирующее устройство, разработанное с помощью нанотехнологии, отклоняет свет вокруг объекта, помещенного в устройство.

Однако у модели есть существенное ограничение – она работает только применительно к одной длине волны, а не для всего частотного диапазона видимого спектра, заявил Шалаев.

«Но это первый шаг к созданию оптического маскирующего устройства, которое могло бы работать для всех длин волн видимого света», - сказал он.

Результаты исследования подробно изложены в статье, которая будет опубликована в журнале «Nature Photonics» за этот месяц. Соавторами документа, появившегося на этой неделе в сети, стали студенты докторантуры Веншан Каи (Wenshan Cai) и Удей К. Четтьяр (Uday K. Chettiar), ученые-исследователи Александр В. Килдишев и Шалаев – все они работают в Колледже электрического и компьютерного инжиниринга университета Пердью.

Расчеты показывают, что устройство сделает объект невидимым при длине волны в 632,8 нанометров, что соответствует красному свету. Однако с помощью этой же модели можно создать «плащ-невидимку» для любой другой – одной – длины волны в видимом спектре, сообщил Шалаев.

«Создание модели, работающей для всех цветов видимого света одновременно – это трудная техническая задача, но я полагаю, что это возможно», - сказал Шалаев. - «Это явно осуществимо. В принципе, этот «плащ» может быть сколь угодно большим – размером с человека или самолет».

Исследование проходит в центре нанотехнологий Бирка (Birck Nanotechnology Center) в парке открытий Пердью.

Другие ученые в 2006 году опубликовали результаты исследований – математические принципы, лежащие в основе устройства оптической маскировки. Среди этих ученых: Джон Пендри (John Pendry) из Империал-колледжа в Лондоне совместно с Дэвидом Шуригом (David Schurig) и Дэвидом Р. Смитом (David R. Smith) из университета Дьюка. Одновременно работу опубликовал Ульф Леонхардт (Ulf Leonhardt) из университета Святого Андрея в Шотландии.

«Эти математические требования были весьма общими, и тогда мы определили, как выполнить требования в конкретной модели», - сказал Шалаев.

Профессор теоретической физики Леонхардт написал комментарии о документе из Пердью – этот комментарий появится в том же номере «Nature Photonics». Он сравнивает разработанную в Пердью модель с созданием в Риме «первого оптического метаматериала» – типа стекла, содержащего частицы золота, чей размер измеряется нанометрами. В обычном дневном свете сделанная из этого стекла чашка кажется зеленой, но при внутренней подсветке она становила рубиновой.

Леонхардт пишет, что исследование университета Пердью представляет «…теоретические симуляции, которые показывают, что модифицированная римская чашка, созданная на основе современной технологии производства наноматериалов, будет работать как устройство для обеспечения невидимости… Любой объект, который вы поместите внутрь, исчезнет, как будто растворится в воздухе – при условии, что его наблюдают через поляризованные окрашенные очки именно этого цвета».

Другие исследователи разрабатывали концепции маскировки объектов размером меньше длины волны видимого света, а также объектов, выявленных в микроволновой части спектра, которые намного больше длины волны видимого света. Однако новая модель – первое решение для маскировки произвольного объекта в спектре видимого для людей света.

«Мы предлагаем «сокрытие» объектов любой формы и размера»,- заявил Шалаев.

Чтобы сделать объект невидимым, необходимо выполнить два требования: свет не должен отражаться от объекта, и должен обходить объект, чтобы люди видели только задний фон, а не сам скрытый объект.

«Если выполнить только первое требование, не давая свету отражаться от объекта, вы все равно увидите темное, похожее на тень очертание объекта и поймете, что здесь что-то есть», - сказал Шалаев. – «Самое трудное – отклонить свет, обведя его вокруг замаскированного объекта, чтобы был виден только фон, но не объект. Таким образом, зритель будет смотреть «вокруг» или через объект».

Устройство будет сделано из так называемых «немагнитных метаматериалов». «Мета» по-гречески означает «сверх, за пределами», так что термин «метаматериал» означает создание чего-либо, не существующего в природе. В отличие от моделей для обеспечения невидимости в микроволновом спектре новая разработка не обладает магнитными свойствами. Это значительно облегчает маскировку объектов в видимом спектре, но также заставляет небольшую часть света отражаться от скрываемого объекта.

«В принципе это можно компенсировать другими средствами, например, антиотражающим покрытием», - заявил Шалаев. – «Главная проблема в том, как заставить лучи огибать объект, и мы описали метод достижения этого в нашей статье».

Ключевой фактор разработки – способность сокращать «показатель преломления» до величины менее 1. Преломление происходит, когда электромагнитные волны, в том числе свет, изгибаются, проходя из одного вещества в другое. Преломление вызывает эффект изогнутости палки в воде – это происходит, когда палка, помещенная в стакан воды, кажется изогнутой, если смотреть на нее снаружи. Каждое вещество имеет собственный показатель преломления, описывающий, сколько света отклонится в этом конкретном веществе, и определяющий, насколько замедляется скорость света при прохождении через данное вещество.

Природные материалы обычно обладают показателем преломления выше 1. Новая модель сокращает этот показатель до уровня, постепенно переходящего от нуля на внутренней поверхности «плаща-невидимки» до 1 на его внешней поверхности – это необходимо, чтобы обвести свет вокруг закрытого объекта.

Для создания крошечных игл потребуется тот же тип оборудования, который уже применяется для производства устройств с помощью нанотехнологий. Толщина игл в теоретической модели составляет примерно 10 нанометров, или 10 миллиардных частей метра; их длина – сотни нанометров. Они расположены слоями, исходящими из центральной спицы в цилиндре. Один нанометр по размеру равняется около 20 соединенных вместе атомов водорода.

Хотя модель работает только для одной частоты, ей все же может найтись применение – например, производство маскирующей системы, позволяющей сделать солдат незаметными для очков ночного видения.

«Поскольку системы ночного видения определяют только конкретную длину волны, в теории можно создать нечто, что бы обеспечивало маскировку в этом узком диапазоне света», - сказал Шалаев.

Другое вероятное применение – маскировка объектов от «лазерных целеуказателей», которые применяются военными для подсветки цели, добавил он.

Леонхардт в комментарии утверждает, что создание «плаща» для обеспечения полной невидимости во всем видимом спектре потребует «дальнейших прорывов в сфере оптических метаматериалов, новых комбинаций нанотехнологии с высьма абстрактными идеями…»