Что увидит невидимка?

Исследовательские команды разных стран мало помалу приближаются к открытию технологии, которая позволит спрятать очевидное. Даже при увеличении физического объема скрываемого тела можно сделать так, чтобы его оптические размеры уменьшались. Физики могут сказать, чего надо добиться, теперь технологи должны ответить на вопрос «как?»

У человека, одетого в плащ из метаматериала, останутся торчать только уши

Метаматериал, обладающий отрицательной диэлектрической проницаемостью, представляет собой полупрозрачный изолятор, в который внедрены микроскопические металлические колечки. Фото S. Sridhar Laboratory/Physics Department/Physics Department

Не так много можно перечислить исследований в области новых материалов, которые в равной степени привлекали бы и руководство Пентагона, и поклонников новых сказок о Гарри Поттере, и даже агрессивных ромулан из сериала «Стар Трек».

Первые и довольно очевидные попытки обойти этот запрет делались довольно давно. Например, Рэй Олден из университета Севреной Каролины уже пять лет пытается запатентовать свою идею ткани-хамелеона: на ней установлены микроизлучатели, имитирующие цвет тела, расположенного где-то вблизи. Так, например, танк, едущий по прерии, замаскируется в бурый цвет, под стать высохшей траве под днищем, благодаря установленным там телекамерам.

У Андреа Алу, выходца из Римского университета, работающего сейчас в американском университете Пенсильвании, есть идея получше. Надо сделать так, чтобы свет огибал тело, двигаясь вокруг него словно «вода вокруг скалы». Метафора, конечно, красивая, но как же этого добиться? Возможно ли?

Как известно, на границе двух сред может либо отражаться, либо преломляться, а внутри среды – поглощаться или проходить сквозь нее. Все это описывается соответствующими коэффициентами: поглощения, преломления, отражения и прохождения. Алу и его коллеге по Пенсильванскому университету Надеру Ингете пришла в голову мысль посчитать, что произойдет, если сред несколько и соответствующие коэффициенты и них разные. Вот, например, есть идеальный проводник сферической формы, окруженный слоем диэлектрика с нулевым поглощением. Казалось бы, оптический размер проводника с диэлектриком должен стать больше, чем у одного только проводника. Так оно и бывает почти всегда, но все же возможны исключения. Расчет показывает: если диэлектрическая проницаемость внешнего слоя меньше единицы или вообще отрицательна, то оптический размер всей конструкции уменьшится.

Конечно, создать материал, диэлектрическая проницаемость которого была бы меньше диэлектрической проницаемости вакуума, не так-то просто. Но таким свойством обладает, например, плазма. Соответственно, им обладает и почти любой металл, поскольку электронный газ, гуляющий внутри кристаллической решетки, – это та же плазма. Проблем тут две: во-первых, металл – проводник, а не диэлектрик; во-вторых, диэлектрическая проницаемость зависит от частоты и становится меньше проницаемости вакуума только вблизи так называемой плазменной частоты, которая находится далеко за пределами видимого света. Вот если бы прятаться надо было не от голубого, а от ультрафиолетового глаза…

Итак, задача из сугубо физической свелась к технологической – найти материал, который был бы одновременно и проводником, и изолятором, а свои металлические свойства проявлял бы при очень низких частотах электромагнитных колебаний. Алу и Ингета решали задачу методом численного моделирования. Вдобавок они выяснили, что похожие задачи решали еще полтора десятилетия назад в разных странах, в том числе и в нашей. Искомая среда получается внедрением в прозрачный изолятор металлических опилок определенных размера и формы. Результаты своих исследований Алу и Ингета опубликовали в журнале «Science» 26 мая 2006 года. Они назвали такое устройство «плазмонным щитом».

Диэлектрические среды со внедренным в нее металлическими опилками называются метаматериалами и давно уже изучаются. Поэтому сразу после статьи в «Science», корреспонденты BBC обратились к Джону Пендри, физику-теоретику из лондонского Имперского колледжа, считающемся одним из самых крупных специалистов в этой области и даже получившего за свои ранние работы рыцарское звание: «Метаматериалы обладают уникальной способностью управлять светом, – сказал им сэр Джон. – Они могут удерживать его внутри ограниченного объема, так что заметить искривление световых лучей практически невозможно». Проблема невидимости его тоже интересует уже давно, и он занимается ею совместно с Дэвидом Р. Смитом и Дэвидом Шуригом из Университета Дьюка в Дареме, штат Северная Каролина. По его словам с помощью таких материалов можно сделать невидимыми самолеты, танки, автомобили и даже целые здания. Проблема только в том, что их нельзя сделать одинаково невидимыми во всем диапазоне частот. Поэтому в первую очередь исследователей интересует, как скрыть все перечисленное от радаров и локаторов, работающих в радиодиапазоне, что, наверное, разочарует мечтающих стать волшебниками и обзавестись волшебным плащом.

Однако и у них есть свой шанс: «Существует взаимозависимость между тем, какой толщины плащ вы позволите мне изготовить, и тем, какой диапазон частот я смогу обеспечить, – пояснил далее сэр Джон журналистам. – Если плащ будет достаточно толст, он сможет быть и достаточно широкополосным». При этом он намекнул, что стоимость такого плаща может оказаться сопоставимой с бюджетом, выделяемым на все научные исследования в Англии. Но он умолчал о том, насколько все-таки этот плащ должен быть толст и тяжел, реально ли будет его надеть на одного путь даже и довольно толстого мальчика.

Но в целом старый постулат, известный нам со школьной скамьи, остается неизменным: тот, кто хочет что-то видеть и знать, не сможет быть целиком невидимым. Что-то да останется торчать – либо глаза, либо уши. А невидимое в радиодиапазоне будет хорошо различимо в ультрафиолетовых лучах.