Шапка-невидимка в оптическом диапазоне: первые экспериментальные результаты

Рис. 1. Две структуры из концентрических колец с объектом внутри при освещении белым светом (вверху) и при пропускании «плоского света» с длиной волны 532 нм (внизу). Изображение из обсуждаемой статьи

Изготовлено устройство, которое работает как миниатюрная шапка-невидимка в оптическом диапазоне — правда, пока только на одной длине волны и лишь для «плоского света», да и сама «шапка» остается полупрозрачной.

В последние год-два в научных статьях стала активно обсуждаться возможность создания устройства, которое делало бы предметы невидимыми для постороннего глаза — то есть «шапки-невидимки» в буквальном смысле слова. В идеале, такое устройство должно скрывать от постороннего наблюдателя и себя, и помещенный внутрь объект. Наблюдатель не должен ничего заметить, с какой бы стороны он ни посмотрел и каким бы светом ни освещал «шапку». Несмотря на то, что теоретических препятствий для создания такого устройства не видно (см. подробности в заметке Возможность существования плаща-невидимки сведена к математической теореме), осуществить это на практике очень непросто.

Шапка-невидимка должна заставить свет как бы «обтекать» спрятанный предмет, а такое управление световыми волнами возможно только при очень необычных электрических и магнитных свойствах среды. Ни у одного из встречающихся в природе веществ таких свойств нет, и поэтому их приходится изготавливать искусственно. Такие среды — а точнее, сложные периодические конструкции, названные метаматериалами — начали создавать только в конце 1990-х годов. Бурный прогресс в этой области привел к тому, что год назад ученым удалось-таки создать плащ-невидимку, правда только для микроволнового излучения, длина волны которого во много раз больше, чем у видимого света.

Уменьшение длины волны света, для которого «работает» устройство, оказалось непростым делом. В принципе, уже созданы метаматериалы, работающие в ближнем инфракрасном диапазоне, но они, к сожалению, слишком сильно поглощают свет и поэтому совсем не годятся для шапки-невидимки. Избежать этого можно с помощью сложной «настройки» магнитных свойств метаматериала, но в оптическом диапазоне это сделать очень трудно. Поэтому несколько месяцев назад Владимир Шалаев и его коллеги из Университета Пердью в США предложили для начала создать некую «упрощенную версию» шапки-невидимки, магнитные свойства которой вообще не требовалось настраивать.

Эта упрощенная шапка-невидимка двумерна, и прозрачна она должна быть не для настоящего света, а для потока поверхностных плазмонов, и причем только одной определенной длины волны. Плазмоны — это электромагнитные колебания плюс колебания электронов на поверхности металла, связанные друг с другом в единое целое и бегущие вдоль поверхности металла. Поток плазмонов еще иногда называют двумерным светом — это не совсем свет, но он похож на него; а при необходимости его можно порождать светом и превращать в свет той же частоты.

Не прошло и полугода, как эта идея была реализована в эксперименте. В трехстраничном кратком сообщении Игоря Смолянинова (Igor Smolyaninov) и его коллег из Мэрилендского университета (Колледж-Парк, США), появившемся на днях в архиве препринтов, сообщается о создании и успешном испытании устройства размером в несколько микрон, внутри которого удалось спрятать от «посторонних глаз» (а точнее, от «плазмонных лучей») маленькое колечко.

На верхней фотографии (см. рис. 1) показано, как выглядит плоская шапка-невидимка при освещении сверху обычным светом (на врезке — изображение, полученное в атомно-силовом микроскопе). Она представляет собой структуру из тонких концентрических колец полиметилметакрилата (это вещество, из которого делают оргстекло), нанесенных на золотую подложку. Эта структура простирается от радиуса r₁ до радиуса r₂, а объект, который требуется спрятать (в данном случае, маленькое широкое колечко), находится внутри радиуса r₁.

На нижнем фото (рис. 1) показано, как та же система выглядит при освещении плазмонными лучами, порожденными зеленым светом с длиной волны 532 нм. Направление их движения показано стрелкой — из нижнего левого угла в правый верхний. Фотография же сделана при взгляде на эту плоскость сверху через обычный оптический микроскоп, и видны на ней не плазмонные лучи, а обычное оптическое свечение из тех мест, где они рассеиваются на препятствиях.

Рис. 2. Распределение плазмонного поля в искусственных цветах. Поток набегающих слева плазмонов обтекает центральную часть устройства, а затем смыкается снова и идет вперед. В центральную часть лучи почти не заходят. Изображение из обсуждаемой статьи

Сама концентрическая структура (то есть шапка-невидимка) на этом фото заметна хорошо, но то, что в ней спрятано, почти не видно. Это значит, что плазмонные лучи рассеиваются на шапке, но не рассеиваются на объекте внутри нее. Более детальное исследование показало, что плазмонные лучи действительно расходятся, обтекая спрятанный внутри объект, а потом снова соединяются и идут вперед как ни в чём не бывало (см. рис. 2).

Если бы мы могли видеть в плазмонных лучах, то, взглянув на эту картину из правого верхнего угла плоскости, на месте шапки увидели бы лишь едва заметное прозрачное пятно.

Повторим, что достигнутый результат пока очень далек от идеальной шапки-невидимки. Во-первых, относительная невидимость достигается только при освещении светом с определенной длиной волны. Достаточно изменить частоту световой волны — и невидимость пропадает. Для сравнения на врезке (рис. 1, нижнее фото) показана та же самая картина, но не оптимизированная для длины волны 532 нм — на ней внутренний объект хорошо просматривается, а значит, плазмонные лучи в этом случае попадают внутрь шапки и освещают спрятанный предмет.

Во-вторых, речь в этой работе идет всё же не о настоящем свете, а о потоке плазмонов, управлять которыми проще, чем светом. Именно с точки зрения плазмонов изготовленная концентрическая структура обладает столь необычными свойствами, что заставляет их как бы обтекать ее по бокам, не попадая внутрь. Обычный свет на этой «нарезке из оргстекла» просто рассеивался бы в разные стороны.

Наконец, даже в плазмонных лучах эта шапка всё еще не полностью прозрачна, а рассеивает на себе часть лучей. Впрочем, совсем недавно Владимир Шалаев и его коллеги в своем препринте arXiv:0707.3641 объяснили, как можно справиться с этой проблемой.

Тем не менее, даже такая не совсем настоящая шапка-невидимка — очень важный шаг на пути к оттачиванию оптических технологий, основанных на метаматериалах. Этот эксперимент доказывает, что и в оптическом диапазоне можно приготовить такую структуру, которая будет заставлять лучи, пусть и плазмонные, огибать предмет. Он подтверждает правдоподобность теоретических выкладок, а значит, внушает оптимизм в дальнейшем прогрессе в этой области.

Источник: I. I. Smolyaninov, Y. J. Hung, C. C. Davis. Electromagnetic cloaking in the visible frequency range // препринт arXiv:0709.2862 [physics.optics].

Подробнее про метаматериалы см.:
Дж. Пендри, Д. Смит. В поисках суперлинзы // «В мире науки» № 11, 2006.

Про поверхностные плазмоны и плазмонную оптику см. в популярных статьях:
1) М. Н. Либенсон. Поверхностные электромагнитные волны оптического диапазона // Соросовский Образовательный Журнал, 1996. № 10, с. 92–98.
2) М. Н. Либенсон. Поверхностные электромагнитные волны в оптике // Соросовский Образовательный Журнал, 1996. № 11, с. 103–110.
3) С. И. Валянский. Микроскоп на поверхностных плазмонах // Соросовский Образовательный Журнал, 1999. № 8, с. 76–82.
4) Подборка рассказов Максима Сухарева по наноплазмонике.

Игорь Иванов

<< Назад