Сергей Перминов (СО РАН) о невидимости

АрхивИнтерактив

Уже давно и всерьёз ведутся разговоры о том, что физические законы не противоречат созданию аппарата, который делал бы предмет невидимым. Но может ли "невидимка" стать невидимой сама?

Шапка-невидимка, как показывает реальность - это очень привлекательный сюжет не только для художественной литературы и кинематографа, но и для научных разработок.

Уже давно и всерьёз ведутся разговоры о том, что физические законы не противоречат созданию аппарата, который делал бы предмет невидимым. Одна из наиболее интересных работ по этой теме посвящена созданию трёхмерного плаща-невидимки, работающего в широком инфракрасном диапазоне.

Насколько хорошо изобретенная "невидимка" прячет предметы? Какой смысл в "невидимке", которая не может скрыть саму себя? Возможно ли создание "идеальных" скрывающих устройств? На вопросы отвечает старший научный сотрудник Института физики полупроводников СО РАН, кандидат физико-математических наук Сергей Перминов.

Схема плаща-невидимки

- Сергей Вадимович, очертите, пожалуйста, область Ваших научных интересов.

- Я занимаюсь оптикой металлических частиц наномасштабного размера, порядка 10 нанометров. Главным образом, нас интересуют оптические процессы, имеющие место при объединении таких наночастиц в различные структуры (мы называем их агрегатами), как упорядоченные, так и неупорядоченные. Сейчас оптику наноразмерных объектов часто называют нанофотоникой.

Тема "невидимости" очень близка к нанофотонике. Вообще, оптические свойства наночастиц активно изучаются уже несколько десятилетий, и у нас, и за рубежом, то есть интерес возник намного раньше, чем слово "нано" стало звучать отовсюду, в том числе - и там, где оно неуместно.

Свежий пример: Росстат предложил называть автомобили нанопродуктом, пишет Lenta.ru со ссылкой на "Ведомости". Это уже близко к абсурду. На сегодня можно говорить о том, что наука и техника нанообъектов заметно дискредитированы частым и неуместным использованием приставки "нано-".

- А где лежит граница между "нано" и "не нано"?

- Эта граница, конечно, условная. Считается, что если мы уйдем от 1 мкм на один порядок вниз, то это уже будет, безусловно, наномасштаб. Хотя, например, если речь идет о 700 нм, то и это может быть "нано", хотя кто-то при желании справедливо возразит, что это "просто" 0,7 мк. Между "нано-" и "микро-" три порядка, и разделить их на наномасштаб и микромасштаб можно по-разному. Ну а объекты, с которыми я и мои коллеги имеем дело, это 10 нм, это уж точно "нано".

- Разработки оптических материалов укладываются в "нано"?

- Да, если говорить не просто о материалах, а о так называемых метаматериалах, то они естественным образом попадают в наномасштабы. Метаматериал - это композит, структурные элементы его, в случае оптики, имеют размеры 50-500 нм, пусть даже 800 нм - все это вполне наномасштаб. А со временем, когда в этой области будут продвижения ещё в несколько раз, сомнений вообще не останется. В принципе, вполне понятно, почему так много спекуляций, связанных с нанотехнологиями. Приоритеты финансирования обусловили обилие желающих причислить себя к категории работающих в области нанотехнологий. Этот процесс идет во всем мире, и явление это отнюдь не чисто российское. С этим нужно мириться и удерживать в рамках, чтобы не было хотя бы наноавтомобилей.

- Что входит в понятие невидимости с точки зрения физики?

- Вряд ли тут есть специальное определение. Думаю, что с точки зрения физики понимание невидимости довольно близко к бытовому. Можно попробовать строго объяснить невидимость как полное отсутствие взаимодействия с излучением. Если какая-то материя не поглощает и не рассеивает свет (или другое электромагнитное излучение: рентген, СВЧ), то с помощью света вы и не сможете обнаружить объект.

Вот это, наверное, было бы наиболее строгим определением невидимости. Скажем, мягкие ткани очень слабо поглощают рентген, поэтому на рентгеновских снимках они почти не видны, в отличие от костей, которые сильно его поглощают, а значит, их хорошо видно. И если говорить на бытовом уровне, который восходит к сказочной шапке-невидимке, то это должно быть такое явление, когда вы действительно не можете увидеть ни скрываемый объект, ни саму шапку-невидимку, что очень важно. Это и есть ключевой вопрос в нашем разговоре: видно или нет саму шапку-невидимку?

Как правило, упор делается на то, чтобы скрыть объект, закрыв его с помощью сложной структуры. Но ясно, что если задача скрыть только объект, и вы не хотите "спрятать" скрывающее устройство, тогда все намного проще. Можно завернуть в плотную ткань то, что вы не хотите показывать, и этот предмет точно не увидят.

Или организовать дымовую завесу, чем военные пользуются давно и успешно. В этом случае виден равномерный серый фон, а корабли или танки делаются "невидимыми". То есть задача скрыть только некий объект может быть решена гораздо проще. И я бы, конечно, не называл этот случай невидимостью, это скорее оптическая иллюзия.

- Какой смысл в такой невидимке, если можно построить стену?

- Не знаю. Вообще, иллюзии бывают разные, есть красивые и занимательные. Можно привести в пример очень старый фокус, который многие видели, и, наверно, все знают, как он работает - назовем условно "Голова на столе". Стол с четырёх сторон закрыт качественными зеркалами.

Поскольку они заворачивают световые лучи, то зритель, стоящий на расстоянии, не видит человека под столом, а видит только его голову, "лежащую" на столе. И если поставить стол в достаточно большой и пустой комнате, с однородно окрашенными стенами и полом, то будет сильное впечатление, что под столом ничего нет. Однако понятно, что это иллюзия.

Кстати, её можно легко разрушить: надо бросить в сторону стола какой-нибудь предмет. Тогда станет видно, в чём, собственно, фокус. И ещё лет десять назад просто в голову никому не пришло бы назвать это невидимостью. Если говорить с точки зрения физики, важно понять, иллюзия это, или действительно каким-то образом снимается взаимодействие со светом. И как создать такую истинную невидимость, никто не знает. Поэтому то, что сейчас описывается в литературе, включая научные журналы, я, конечно, отношу к иллюзии.

Распределение показателя преломления

- Сначала учёные "прятали" предметы не в трёхмерном пространстве, а на плоскости. На каком принципе основана работа таких "плащей-невидимок"?

- И более ранние двухмерные, и трёхмерные устройства основаны на одном принципе. Создается такое распределение показателя преломления в материале, при котором световые лучи распространяются не прямолинейно, а огибают объект, который хочется скрыть. А раз они его огибают, они с ним и не взаимодействуют, то есть не рассеиваются и не поглощаются. Таким образом, объект становится невидимым. И, поскольку принцип состоит в изменении хода световых лучей, то снова приходит на ум фокус с зеркалом.

В общем-то, зеркала в этом фокусе делают ровно то же. Только зеркала работают по-простому, в буквальном смысле прямолинейно, исключительно по закону отражения, который знают школьники. И поэтому, чтобы показать фокус с зеркалами, нужно соблюсти ряд условий: надо поставить зрителей подальше, обеспечить пустое пространство, чтобы создать некоторый диапазон по углам зрения. Никому не удалось бы продемонстрировать такой фокус, если бы во всем зале была ровно одна точка просмотра. Нельзя же показывать фокус одному зрителю.

Кстати, в плане диапазона по длинам волн у зеркал вообще нет проблем - заурядное зеркало перекрывает весь видимый диапазон. То есть, с моей точки зрения, принципиальной разницы между такими фокусами и теми "плащами-невидимками", которые сейчас делают, нет. В обоих случаях скрытие объекта достигается посредством изменения хода световых лучей.

- Как эксперимент с невидимкой выглядит в реальности? Давайте представим, что мы его ставим на этом столе.

- Прежде всего, пока что маскировать можно только очень маленькие объекты, в последней статье размеры всего экранчика были порядка 0,1 мм, примерно 50-90 микрон. Потому что его сложно создавать, компоненты, из которых он создается, меньше микрона.

Саму "невидимку" как раз должно быть видно. Я допускаю, что в каком-то диапазоне углов зрения и это устройство тоже можно сделать плохо видимым. Оно меняет ход лучей примерно как прозрачная линза. Увеличительное стекло, в некоторой степени, "невидимо" - если сосредоточиться на изображении, которое мы разглядываем, и не задумываться о том, откуда увеличение. Но посмотрим на линзу сбоку, и не заметить её станет невозможно.

Аналогично, "плащ-невидимку" должно быть видно под какими-то углами зрения, "сбоку". А объект за ним, действительно, не будет виден, если смотреть в определённом диапазоне углов. В мартовском номере журнала Science описан подобный эксперимент: свет проходит через слой композитного материала ("плащ-невидимку"), отражается от медной пластинки и идёт обратно.

Если убрать плащ, то в отраженном свете виден узкий желобок, который сделан на этой пластинке. Это и есть тот самый объект, который "прячут" учёные. Когда они покрывают пластинку этим материалом, световые лучи попадают на неё только там, где нет желобка.

Они отражаются назад только от ровных участков пластинки, поэтому в отраженном свете видно равномерно освещённое поле. Вот в чём состоит эксперимент. Но опять же, объект можно просто закрыть ровным листком белой бумаги, получим рассеяние, и если это чистая бумага, будет такой же равномерный фон. То есть, если задача состоит в том, чтобы получить равномерный фон в рассеянии, можно решить её гораздо проще, с помощью зеркала, опять же. То есть ключевой вопрос в том, какая перед нами стоит цель: сделать, чтобы желобок не было видно, или сделать так, чтобы и скрывающее его устройство тоже было невидимо.

- Тогда оно должно обладать свойством прозрачности?

- Прозрачность означает отсутствие как заметного поглощения, так и заметного рассеяния света. Поскольку материал в упомянутом эксперименте обладает показателем преломления от 1 до 1,5, то такое устройство обязано обладать определенным рассеянием, он взаимодействует со светом. А раз он обладает рассеянием, значит, с каких-то направлений его будет точно видно. Я допускаю, что можно, создавая распределение этого показателя, как-то поиграть с направлением рассеяния, перераспределить рассеянный световой поток. При этом в каком-то направлении рассеяние будет больше - соответственно, саму "шапку-невидимку" станет видно.

- Приближают ли такие наработки к моменту, когда будет создана полноценная шапка-невидимка?

- Сложно сказать, потому что мне ни разу не попадалось обсуждение вопроса невидимости самой шапки. Обсуждается только скрываемый предмет. Ставятся следующие задачи: чтобы это было не на одной длине волны, а в некотором диапазоне длин волн, и в этом, безусловно, продвинулись; не под одним углом зрения, а в диапазоне направлений наблюдения. А работы, в которых бы стремились скрыть саму шапку, мне не известны. Поэтому, если сам плащ остается видимым, тогда, наверное, вряд ли приближает.

- Из каких материалов делают такие устройства?

- Есть разные варианты, но в целом это композитные материалы, которые обладают необычными свойствами. Их называют метаматериалами. Метаматериал - это структурированный образец, в котором частички определенного вещества особенным образом распределены в матрице из другого вещества.

Внешняя матрица может быть, например, полимером или стеклом, а мелкие частицы, которые в нём распределяются, могут быть как диэлектриками, так и частицами металла. Отличительное свойство таких композитов состоит в том, что важно не только, из каких веществ он состоит, но и какова его микроструктура.

Для того чтобы понять, что такое метаматериал, надо вспомнить, что такое вообще материал. Это среда, которая состоит из элементов, например, из атомов или из молекул. Эти элементы могут быть структурированы, или упорядочены, как в кристалле, или они могут располагаться беспорядочно, как в стекле. Совокупность атомов или молекул можно называть материалом только в том случае, если мы можем усреднить его характеристики по этим мелким элементам; именно в этом случае можно говорить о том или ином материале. Усреднение должно непременно присутствовать, иначе это будет не материал, а набор отдельных атомов, молекул.

Так вот, метаматериалы можно рассматривать как синтетический материал, в котором в качестве базового структурного элемента будут уже не те атомы или молекулы, которые есть в природе, а некие рукотворные объекты, ансамбль искусственных "атомов". Таким образом и удалось создать материалы с небывалыми оптическими свойствами.

- А как устроены метаматериалы?

- Можно привести такой пример. Представьте некий диэлектрик, скажем, стекло, в котором содержатся наномасштабные стержни из золота, брусочки размером примерно 100 на 100 на 800 нанометров. Они объединены в пары, и набор таких пар в диэлектрической матрице и составляют метаматериал. Пара стержней в данном случае - это как бы атом, но конечно, в кавычках, так как она большая. Такие "атомы" делают с помощью электроннолучевой нанолитографии. Подобная технология используются в электронике, в производстве микросхем.

В итоге получается материал, который обладает уникальными свойствами. Скажем, описанный образец обладает отрицательным показателем преломления, что было экспериментально показано в 2005 году исследователями из Университета Пёдъю (Purdue University) в США. Как известно, у вакуума показатель преломления ровно единица, у других, "обычных", веществ (вода, стекло) он больше единицы, а показателя меньше единицы у природных веществ не бывает. А здесь не то что меньше единицы, а даже меньше нуля!

К понятию "метаматериал" есть ещё и другой подход, с позиции уровней организации материи. Можно считать, что тот метаматериал, который я только что приводил в пример, состоит из атомов, составляющих стекло и атомов золота, но организованных сложным образом. Сначала мы должны атомы золота уложить в столбики, а затем эти столбики объединить нужным образом в пары. Один столбик в отдельности не обладает отрицательным показателем преломления, и набор одиночных столбиков тоже не обладает. А вот композитный материал из пар столбиков уже будет обладать.

Таким образом, в таком материале можно выделить два уровня организации исходных атомов. Второй уровень (то есть, объединение в пары) является уже метауровнем с позиции атомов золота. Отсюда и название - метаматериалы.

Базовый структурный элемент метаматериала создается искусственно, он рукотворный, поэтому не может быть слишком маленьким. С другой стороны, раз мы хотим говорить о материале, то есть подходить макроскопически, надо усреднять по большому числу этих элементарных "кирпичиков". Значит, они не могут быть и слишком большими. Так, если рассматривать взаимодействие с излучением, значит, надо усреднить по масштабу меньшему, чем длина волны. Для оптики это примерно 500 нм. И понятно, почему интерес к этому вопросу возник именно сейчас: прогресс технологии сделал возможным создание структурных элементов с размерами меньше микрона.

- А где они применяются?

- Это очень молодая область, и в ней слишком много непонятного. Пока технологическое достижение заключается в том, что удается сделать только очень маленькие образцы метаматериалов. Применений пока мало. Но если говорить не об оптике, а о терагерцевом диапазоне (длина волны на два-три порядка больше, чем в оптике), то здесь уже видны и пути применения таких наработок.

Скажем, созданы такие метаматериалы, представляющие собой полоски из пленок полупроводника, свернутые спиралью и покрытые металлом. Они уложены в виде массива на какую-то подложку. Размер этих полосок меньше, чем длина волны, то есть такое излучение воспринимает этот массив усреднено, как некий специфический материал.

Сотрудники нашего института показали в эксперименте, что таким образом удаётся поворачивать плоскость поляризации терагерцевого излучения. Дело в том, что терагерцевый диапазон весьма специфичен, элементная база - источники, преобразователи излучения, фотоприемники для терагерцевого диапазона ещё только появляются. Кстати, у нас в Академгородке недавно построили лазер на свободных электронах. Это как раз источник когерентного терагерцевого излучения. В оптике есть очень большой арсенал оптических элементов - линзы, призмы, дифракционные решётки.

В терагерцевом диапазоне пока практически ничего нет, поэтому создание элемента, который эффективно поворачивает плоскость поляризации, можно считать достойным практическим выходом. Так что применение метаматериалов уже есть, но пока не в оптическом диапазоне.

- Группа учёных для создания своей "невидимки" использовала фотонный кристалл. Почему подходит именно он?

- Фотонным кристаллом называют оптический элемент, в котором есть периодичность - в одном, двух или трёх измерениях. Скажем, есть дифракционная решётка. Это последовательность штрихов, которые периодически расположены на малом расстоянии, сравнимом с длиной волны, скажем, 500 штрихов на 1 миллиметр. Наглядный пример дифракционной решётки - любой компакт-диск. Он имеет примерно 1000 дорожек на 1 миллиметр. В принципе, дифракционную решётку вполне можно назвать фотонным кристаллом, хотя это название появилось намного позже и больше применяется по отношению к двумерным и трёхмерным периодическим структурам.

В данной работе действительно используется образец типа фотонного кристалла. Насколько я понимаю, авторам нужно было создать образец, у которого показатель преломления сложным образом распределён в пространстве. Как именно авторы используют периодичность, присущую фотонным кристаллам, я не понимаю, - для этого надо знакомиться с работой более детально. Вообще, метаматериалы могут и не обладать периодичностью структуры, то есть не быть фотонными кристаллами.

- Зависит ли скрывающая способность "плаща-невидимки" от состава предмета, который надо спрятать?

Зависит. Какое-то количество лучей все-таки попадает на скрываемый предмет, и если он сильно их поглощает, значит, его сложнее скрыть. Это общая ситуация: если у вас очень яркий фонарь, его трудно скрыть дымовой завесой. Он будет пробивать этот дым. А если это что-то тусклое, что и так плохо видно, то и скрыть будет проще.

- Получается, что данное направление не имеет применения и шансов на развитие?

- Это интересный вопрос. То, что сейчас происходит вокруг "невидимости", не ново. Можно провести аналогию, если говорить про оптику, с "замедлением" света или с "остановкой" света. Был бум активности по этому поводу некоторое время назад. Вкратце, суть в том, что в определенных средах возникает очень специфическое взаимодействие с падающим светом.

Внешне это проявляется так, словно свет входит в эту среду и медленно проходит сквозь неё. Это выглядит аномально. При желании можно это назвать замедлением света, но, никаких чудес нет, сейчас вполне понятна суть этого явления. Если кто-то надеялся, что свет можно остановить и запасать на какое-то время, то их надежды, конечно, не оправдались.

Однако возросшее внимание к данной области и большой объём затраченных усилий исследователей позволил получить ряд действительно ценных результатов. Привлечение внимания в науке - это важно, без этого нельзя, так как это - привлечение финансирования в том числе. Поэтому практический выход "невидимости" может оказаться в том, что благодаря вниманию к этой теме делается много исследовательских работ по оптике метаматериалов, при этом вполне можно ожидать получения полезных результатов.

Правда, вряд ли удастся сделать плащ-невидимку, и я думаю, что все, кто работает в этой области, тоже в той или иной степени это понимают. Видимо, подача в таких терминах позволяет поддерживать интерес к теме. Само по себе это неплохо; другое дело, что нужен какой-то баланс. Если дойдёт до спекуляций, как с наноавтомобилями, то, скорее, эффект будет обратный.

- Получается, "идеальный плащ невидимка" это такой плащ, которого не видно?

- Авторы статьи в мартовском Science под идеальным понимали другое. Идеальным плащом может назваться тот, который работает в как можно более широком диапазоне длин волн, и в как можно большем диапазоне углов, то есть они стремились к тому, чтобы с разных точек можно было смотреть на тот же объект и его не видеть.

Если пытаться обобщить материал по этой теме, то нужно учитывать, что были и другие предложения невидимости. Например, телекамеры, которые будут снимать фон за объектом, а объект будет покрыт материалом, который будет показывать изображение с телекамер.

Тогда глядя на объект, мы будем видеть изображение фона, и вроде как предмет будет невидимым. Даже не вдаваясь в подробности, насколько реально все это организовать, можно сразу сказать, что это будет относиться к разряду иллюзий. Ясно и то, как её можно разоблачить.

Человек обладает стереоскопическим зрением, когда он смотрит двумя глазами, он может оценить расстояние до предмета. И если вы посмотрите на то, что вам подается как фон, до которого будто бы полкилометра, вы сразу определите, что источник света, который создает этот "фон", на самом деле расположен, например, в двадцати метрах. Так, даже без каких-то специальных устройств, раскрывается эта иллюзия.

- А разве не получается так, что любой принцип "невидимки" будет иллюзией?

- Сильное ощущение, что так и есть. Потому что если материал почти не взаимодействует с излучением в какой-то области, то он изначально невидим, и скрывать его, в этом случае, и так не нужно. Реализовать ту невидимость, с которой мы знакомы из художественной литературы, вряд ли возможно. В таком случае придётся "выключить" взаимодействие данной материи с излучением. Но как? Такого выключателя у человека нет в арсенале.

В целом, конечно, появление метаматериалов - это большой прогресс, потому что это дает возможность манипулирования разными аспектами распространения света в средах, которые еще недавно казались немыслимыми.

- А что в этом сложнее - теоретически разработки или практические?

- Чтобы рассчитать, как это сделать, по большому счету нужны только компьютеры. Потому что исходная база всей электродинамики состоит в уравнениях Максвелла, которые написаны полтора века назад. Есть весьма много работ, посвященных моделированию метаматериалов. Однако в мире совсем немного лабораторий, в которых могут создавать метаматериалы, особенно для оптического диапазона, у которых "элементарные кирпичики" имеют размеры нанометрового масштаба. Так что, конечно, сложнее создать, воплотить практически, нежели просчитывать математические модели.

_____________

В интервью обсуждалась статья Three-Dimensional Invisibility Cloak at Optical Wavelengths (Tolga Ergin, Nicolas Stenger, Patrice Brenner, John B. Pendry, Martin Wegener) // Science. Published online March 18, 2010. DOI: 10.1126/science.1186351.