Может ли датчик света быть невидимым?
Теоретические исследования показывают, что материалы с необычными оптическими свойствами, возможно, позволят инженерам создавать невидимые датчики электромагнитного излучения (в т.ч. видимого света).
В последние несколько лет все чаще появляются работы, сообщающие об открытиях в области управления путями распространения света. В различных лабораториях мира поставлен целый ряд экспериментов, доказывающих существование резонансного магнитного отклика для электромагнитных волн, отрицательного лучепреломления, эффекта оптической маскировки и др. Что касается многочисленных теоретических исследований, то многие из них находятся на границе нашего воображения. «На бумаге» исследуются невидимые материалы, многочастотная оптическая маскировка, а также среды с почти нулевой диэлектрической постоянной (величиной, характеризующей взаимодействие вещества с электромагнитными волнами). Огромными темпами развивается оптика пространственных преобразований, помогающая искать решения сложнейших теоретических задач при помощи «правильных» координатных преобразований. Теоретические и практические изыскания в этой области открывают широчайшие горизонты для технологий будущего.
Успех в этих направления связан с оперированием электромагнитными волнами на расстояниях, маленьких по сравнению с длиной волны. Учитывая длины оптических волн в видимом диапазоне (380 – 780 нм), современный уровень развития нанотехнологий – это возможность применить наконец-то все теоретические изыскания на практике. Так же реализовать теоретически описанные идеи можно при помощи так называемых метаматериалов, созданных из маленьких (по сравнению с длиной электромагнитной волны) сегментов и обладающих экзотическими оптическими свойствами, не встречающимися в природе. Исследователи со всего мира уже разрабатывают устройства на основе подобных метаматериалов, используя для описания вещества зависимость его диэлектрической постоянной от частоты электромагнитного излучения.
Специалисты из University of Texas в Остине и University of Pennsylvania предложили еще один вариант применения таких сред: практически невидимые световые датчики. Идея ученых заключается в использовании так называемых резонансных волн, которые могут быть получены, например, благодаря металлам (точнее, плазмонам – квантам колебаний свободного электронного газа).
«На пальцах» идея описывается достаточно просто. Ученые представляют обычный световой датчик как некоторый изотропный дипольный элемент, работающий за счет взаимодействия с сильным электромагнитным полем. Взаимодействуя с полем, датчик накладывает и собственное влияние на поле, делая, таким образом, себя «заметным» на значительном расстоянии. Сама идея заключается в том, что такое влияние может быть сведено к минимуму за счет использования особой оболочки для датчика, к примеру, из материала с отрицательной диэлектрической постоянной. Расчеты группы исследователей, опубликованные в Physical Review Letters, показывают, что правильным подбором толщины оболочки и значения постоянной можно добиться того, что датчик будет практически невозможно обнаружить.
Такое чисто-теоретическое решение вовсе не является задачей о широко известном «сферическом коне в вакууме». Известно, например, что при определенных условиях металлы показывают отрицательное значение диэлектрической постоянной для электромагнитных волн инфракрасного диапазона. Искусственным образом, возможно, удастся создать материалы с отрицательной диэлектрической постоянной в видимой и даже в микроволновой области.
Решенная учеными задача выявила весьма необычный оптический эффект. Дальнейшая работа в этом направлении будет лежать уже в практической области. На данный момент, по мнению исследователей, наиболее подходящими кандидатами для таких «невидимых» датчиков являются устройства наномасштаба.
