Для того, чтобы создать плащ-невидимку в стиле Гарри Поттера, требуется использование материалов, обладающих уникальным оптическим свойством — отрицательным коэффициентом преломления, который сохраняется неизменным во всем диапазоне видимого света, от красного до фиолетового цвета. Однако, несмотря на все старания ученых, подавляющее большинство искусственных материалов, на основе которых чуть ли не каждый день создаются новые устройства сокрытия, эффективно работают только в одном, зачастую очень узком диапазоне света. Но в скором будущем это препятствие будет пройдено благодаря работе инженеров-оптиков из Стэндфордского университета, которые создали новый искусственный сложный материал, метаматериал, сохраняющий отрицательный коэффициент преломления во всем оптическом диапазоне, другими словами, для всех без исключения цветов радуги.
Первые оптические метаматериалы и плащи-невидимки на их основе были созданы исследователями из университета Дюка. Такие устройства работают, преломляя свет особым образом и заставляя его огибать скрываемый объект. Однако, в этом деле имеются дополнительные тонкости, свет, обогнувший объект и выходящий из плаща-невидимки, должен иметь такую же поляризацию и фазу, как и свет, проходящий мимо плаща. Если не соблюсти эти условия, то можно будет увидеть искажение света, вспомним первую часть фильма «Хищник», из-за этого можно будет сказать, что в той точке пространства находится скрываемый объект, но нельзя будет сказать точно, что это за объект.
Обеспечение отрицательного коэффициента преломления во всем диапазоне видимого света требует высочайшего контроля над структурой метаматериала, определяющей его оптические свойства. В большинстве случаев это достигается за счет создания на поверхности материала наноструктур и нанорешеток, элементами которых являются крошечные электромагнитные устройства, взаимодействующие с электрической и магнитной составляющей волн света.
Такого взаимодействия практически невозможно добиться с помощью любых материалов естественного происхождения. С такой задачей могут справиться только метаматериалы, композитные материалы, состоящие из множества других материалов и имеющие на своей поверхности наноструктуры определенной формы. Эти наноструктуры, называемые «оптическими атомами» достаточно просто заставить взаимодействовать с магнитной или электрической составляющей электромагнитных волн. Гораздо сложней обеспечить взаимодействие одного оптического атома сразу с двумя составляющими, и заставить работать все это в широком диапазоне электромагнитных волн является задачей огромной сложности.
Именно из-за вышеуказанных причин все созданные ранее плащи-невидимки имеют весьма ограниченную ширину пропускания. К примеру, без особых трудов можно создать устройство сокрытия, которые будет работать только в области ярко-желтого цвета, но практической пользы от этого устройства будет крайне мало, если то, что необходимо скрыть не является связкой бананов.
Дженнифер Дион (Jennifer Dionne), ученая-материаловед из Стэнфордского университета, и ее коллеги разработали совершенно новый тип метаматериала с гибридной структурой поверхности, который без стеснения можно назвать революционным материалом. Гибридная структура поверхности нового материала позволяет ему эффективно взаимодействовать с двумя составляющими электромагнитных колебаний в чрезвычайно широком диапазоне, охватывающем весь спектр видимого света. Материал был создан с помощью способа, называемого конформным преобразованием, который заключается в «сворачивании» плоского двухмерного метаматериала с известными оптическими свойствами в трехмерный наноразмерный объект, сформированный в виде полумесяца, что позволяет сохранить оригинальные оптические свойства исходного материала и придает ему новые уникальные свойства.
Новый метаматериал в большем масштабе представляет собой упорядоченную трехмерную решетку, узлы которой состоят из трех вышеописанных оптических атомов. Расстояния между узлами решетки и отдельными оптическими атомами определяют рабочий диапазон этого метаматериала и, когда он «настроен» на середину оптического диапазона, материал демонстрирует отрицательный коэффициент преломления в полосе от синего до красного цвета, оставляя неохваченными только узкие полосы по краям диапазона видимого света. Исследователи утверждают, что небольшие изменения в структуре метаматериала позволят расширить охватываемую им полосу, которая будет соответствовать или будет шире диапазона видимого света.
Широкая полоса пропускания нового метаматериала позволяет рассчитывать на то, что в недалеком будущем материалы такого класса будут использованы для создания плащей-невидимок, использование которых позволит эффективно скрывать объекты, по крайней мере, от человеческого взгляда. Помимо этого, уникальные свойства метаматериала, позволяющие реализовать уникальные методы управления светом, обеспечат появление множества технологий, о возможности реализации которых никто ранее не мог и предположить.
Группа Стэнфордских ученых опубликовала описание нового метаматериала и его уникальных оптических свойств в последнем выпуске журнала «Advanced Optical Materials».
