Невидимость стала реальностью

Виктор Георгиевич Веселаго длительное время занимался экспериментальными исследованиями магнитных веществ и сильных магнитных полей. Но в мировом научном сообществе он стал знаменит в одночасье благодаря одной небольшой чисто теоретической статье по электродинамике, опубликованной в далеком 1967 году. Он предсказал существование материалов, из которых можно сделать шапку-невидимку.

В начале 2001 года дома у Виктора Веселаго, завлабораторией магнитных материалов отдела сильных магнитных полей Института общей физики РАН (ИОФАН) им. А. М. Прохорова, раздался звонок телефона. «Профессор, — сказал по-английски голос в трубке. — Вас беспокоят из журнала New Scientist. Мы бы хотели получить ваш комментарий по поводу экспериментов американских ученых Смита и Шульца, описанных в только что вышедшем журнале Science. Кажется, им удалось создать материал, который вы теоретически предсказали более тридцати лет назад».

Упражнение для ума

После окончания школы, где он всерьез увлекся радиотехникой, Веселаго поступил на только что созданный физико-технический факультет МГУ (позднее ставший самостоятельным вузом — МФТИ). Диплом он защитил в ФИАН под руководством А. М. Прохорова (будущего лауреата Нобелевской премии 1964 года по физике), а затем продолжил работу в институте уже как научный сотрудник.
 
В 1960-х годах он заинтересовался магнитными полупроводниками — материалами, которые проявляют свойства как ферромагнетиков, так и полупроводников (их проводимость меняется при изменении магнитного поля). «Есть такой электровакуумный прибор — лампа бегущей волны, он используется в качестве усилителя СВЧ-сигналов, — объясняет профессор Веселаго. — Усиление здесь происходит за счет взаимодействия электронов с электромагнитной волной. Я подумал, что можно было бы попробовать создать такой прибор в твердотельном варианте, а для этого нужен был материал, сильно замедлявший скорость распространения электромагнитной волны, то есть с очень высоким показателем преломления.

Показатель преломления (n) определяется как квадратный корень из произведения диэлектрической проницаемости (ε) и магнитной проницаемости (µ). Идея с магнитным полупроводником не оправдала себя (нужный режим работы подобрать не удалось), но заставила меня внимательно рассмотреть вещества с различными ε и µ, и положительными, и отрицательными. Вещества с обеими положительными величинами — это хорошо известные обычные диэлектрики. С положительным ε и отрицательным µ — ферромагнетики. С отрицательным ε и положительным µ — плазма. А вот веществ с отрицательными ε и µ тогда известно не было. Листок с формулой показателя преломления лежал у меня на столе, я смотрел на него и вдруг подумал: но ведь в таком случае и сам показатель преломления может быть отрицательным. И не только с точки зрения математики!»

Против здравого смысла

Такой вывод был крайне необычным, поскольку во всех учебниках подразумевалось, что показатель преломления любой среды — это всегда положительная величина. Своими соображениями, которые показались ему очень важными, Виктор поделился с коллегами. Но ученые, загруженные работой, восприняли его выводы как «разминку для ума», абстракцию, которая не имела никакого физического смысла.

И тогда Веселаго написал небольшую статью «Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ε и µ», где показал, что наличие таких веществ не противоречит никаким законам физики, и описал их необычные свойства. Материалы с отрицательным коэффициентом преломления в статье были названы «левыми», а обычные, с положительным, — «правыми» (по ориентации векторов, характеризующих электромагнитную волну).

«На самом деле мне не первому пришла в голову эта идея, — говорит профессор Веселаго. — Об этом рассуждал еще академик С. Л. Мандельштам, но исключительно в математическом плане. Рассматривал их и Д. В. Сивухин, но в свой знаменитый учебник он эти соображения не включил».

В журнале «Успехи физических наук» (УФН) статью тоже восприняли как гипотетические рассуждения, но тем не менее опубликовали. «Я представил свой доклад на международной конференции в Москве, — вспоминает Виктор Георгиевич, — и получил приглашение выступить по этой теме на нескольких других конференциях — в Италии, Франции и США.

После моих докладов на этих конференциях темой заинтересовались, и я подготовил еще одну статью в сборник. Но высокое начальство ФИАН, узнав об этом, настойчиво порекомендовало мне не заниматься всякой ерундой и не отвлекаться от основной работы в отделе сильных магнитных полей, где мы создавали большую экспериментальную установку «Соленоид». В итоге эта тематика была почти забыта на долгие три десятилетия».

От теории к эксперименту

Статья «Экспериментальное подтверждение отрицательного показателя преломления» Дэвида Смита, Шелдона Шульца и Ричарда Шелби, исследователей из Калифорнийского университета в Сан-Диего, вышла в 2001 году в авторитетном журнале Science и произвела в научном сообществе эффект разорвавшейся бомбы. В статье исследователи показали, как, используя проводящие дорожки и незамкнутые катушки-резонаторы для управления электрическими и магнитными свойствами среды, можно сконструировать композиционный материал с отрицательным показателем преломления для длины волны около 3 см.

Такие составные материалы, свойства которых определяются не их химическим составом, а структурой, называют метаматериалами. А поскольку экспериментаторы уже во втором абзаце статьи ссылались на ту самую статью 1967 года, это окончательно закрепило приоритет изобретения таких материалов за Виктором Веселаго. Интерес к теме был настолько высок, что эта статья стала самой цитируемой за всю историю журнала УФН, который издается с 1918 года.

А в 2006 году один из авторов первой статьи, Дэвид Смит, к тому времени перешедший в Университет Дюка, вместе со своим коллегой по университету Дэвидом Шуригом и физиком Джоном Пендри из Имперского колледжа в Лондоне, опубликовали в Science статью «Управление электромагнитными полями». В ней они показали кольцевую конструкцию из метаматериала с отрицательным показателем преломления, которая заставляет электромагнитные волны огибать предмет, находящийся в центре. А это не что иное, как шапка-невидимка в самом буквальном смысле этого слова. Правда, пока для сантиметрового диапазона, но ведь это только начало.

Свет, радио, звук, прибой

Технология метаматериалов с отрицательным показателем преломления сейчас очень активно развивается. И не только потому, что это интересная наука, но и потому, что результаты в данной сфере могут привести к интересным решениям в прикладных областях. «Публика ждет шапку-невидимку, военные — идеальный камуфляж и не видимую радаром технику, — говорит Виктор Веселаго. — Но я не думаю, что в ближайшее время стоит ожидать чего-то подобного. Зато уже есть ряд очень интересных разработок в области материалов с отрицательным показателем преломления не для электромагнитных, а для сейсмических волн. Достаточно построить такую структуру вокруг здания, и волны, порожденные землетрясением, будут огибать его.

А ученые из Института Френеля в Марселе и Ливерпульского университета уже несколько лет разрабатывают метаматериалы такого типа, способные защитить прибрежные сооружения от разрушительных приливных, штормовых волн и цунами. И конечно, моя мечта — это материалы с отрицательным показателем преломления для оптического диапазона, которые сделают реальностью суперлинзы для оптических приборов со сверхвысоким разрешением».

«Правые» и «левые»

Что мы увидим, если посмотрим на материал с отрицательным показателем преломления?

Преломление света — привычное явление, хорошо известное всем, кто хоть раз смотрел на игру солнечных лучей на гладкой поверхности пруда. Но вот эффекты, возникающие в среде с отрицательным показателем преломления («левой» среде), сложно представить — настолько они противоречат общепринятым понятиям о поведении света. Вот некоторые из них.

А. Карандаш, погруженный в воду, кажется внешнему наблюдателю «сломанным» в сторону поверхности раздела сред.

Б. Карандаш в «левой» среде кажется «отраженным» от поверхности раздела сред (рыбки, плавающие в такой среде, будут казаться парящими над водой).

А. Луч света при преломлении на границе сред находится по разные стороны нормали.

Б. Луч света при преломлении на границе сред находится по одну сторону нормали.

А. Спектр предмета, движущегося от наблюдателя в «правой» среде, смещается в красную область за счет эффекта Доплера.

Б. Спектр предмета, движущегося от наблюдателя в «левой» среде, смещается в синюю область за счет эффекта Доплера.

А. Заряженная частица, движущаяся быстрее скорости света в «правой» среде, порождает черенковское излучение в виде конуса, направленного вперед.

Б. Заряженная частица, движущаяся быстрее скорости света в «левой» среде, порождает черенковское излучение в виде конуса, направленного назад.

А. В «правой» среде фазовая (скорость отдельной волны) и групповая (скорость волнового пакета, переносящего импульс и энергию) скорости света направлены в одну сторону.

Б. В «левой» среде фазовая и групповая скорости света направлены в разные стороны.

А. Среда с положительным показателем преломления («правая»)

Б. Среда с отрицательным показателем преломления («левая»)

Линзы Веселаго

Материал с ε = -1, μ = -1 и отрицательным показателем преломления n = -1 можно использовать для создания так называемой линзы Веселаго. Плоская пластинка «левой» среды полностью переносит оптическое поле с одной стороны на другую, создавая точное, без всяких искажений, изображение.

У такой линзы, в отличие от обычной, отсутствует оптическая ось. Она не способна сфокусировать параллельный пучок света, зато за счет фокусировки ближнего поля через нее можно рассмотреть детали, меньшие по размеру, чем длина волны света (дифракционный предел).

Как работает шапка-невидимка

Если осветить предмет, сравнимый по размеру с длиной волны, пучком микроволн, мы увидим его за счет отражения части излучения. Но если окружить предмет «шапкой-невидимкой», изготовленной из метаматериала с отрицательным показателем преломления, пучок будет огибать предмет, и он станет полностью невидим. Такой эксперимент был продемонстрирован исследователями из Калифорнийского университета в Сан-Диего.