Введение
Только те, кто предпринимает абсурдные попытки, смогут достичь невозможного.
А. Эйнштейн
Невозможное всегда относительно, еще в начале XX века телефонная связь и компьютеры, интернет, полеты в космос, считались попросту невозможными, эту было обусловлено в первую очередь уровнем развития общества, главенствующими научными позициями, имеющимися на тот момент ресурсами для реализации научной мысли. Но с развитием науки, многие явления, которые относили к магическим и фантастическим, стали в XXI веке обыденной частью повседневной жизни.
Каждый человек хоть раз, но хотел обладать мантией невидимости (рис.1) или шапкой невидимкой, которые могут скрыть своего обладателя от врагов, но это считалось сказкой, относилось к разряду невозможного. Так было до недавнего времени. Сейчас идея невидимости уже не является невозможной. К решению вопроса невидимости нас приблизили метаматериалы.
Рис. 1. Мантия невидимости Гарри Поттера
История открытия
Метаматериалы, а точнее их создание, было предсказано советским ученым В. Веселаго (рис.2). В 1967 г. В.Веселаго теоретически обосновал идею, что материал, способный сделать объект невидимым, должен обладать рядом характеристик, таких как обратный эффект Доплера и отрицательный показатель преломления. Но в курсе физики четко прописано, что это невозможно, так как ни один материал в природе не обладает такими оптическими свойствами.
Рис. 2. Виктор Веселаго
Однако исследователи в Китае и Австралии, смогли искусственно создать уникальную фотонную суперлинзу, представляющую собой наноструктурный кристалл кремния и экспериментально доказать возможность наблюдения в ней обратного эффекта Доплера, который возможен при отрицательном показателе преломления.
Характеристика метаматериалов.
Итак, метаматериал — это материал, который обладает оптическими свойствами, не существующими в природе. Иными словами, это композиционный материал, получаемый в результате модификации внедряемых элементов. Изменение внедряемых элементов происходит на наноуровне, а это уже атомный масштаб. Применение наноимплантатов дает возможность управлять показателем преломления, то есть при помощи внедренных структур, мы можем заставлять электромагнитное излучение выбирать нестандартные пути для распространения. Имея дело с метаматериалом, мы получаем возможность управлять показателем преломления.
Преломление мы рассматриваем как способность света менять направление своего распространения при переходе из одной среды в другую. Данное свойство легко наблюдать даже на кухне, если опустить ложку в прозрачный стакан с водой и посмотреть на границу раздела двух сред. Сразу создается впечатление, что ложка ломается (рис.3).
Рис. 3. Преломление
Но на самом деле, ложка сохраняет свою форму, не деформируется, а лишь свет, переходя в более плотную среду, меняет направление своего движения и соответственно скорость распространения. Чтобы понять причину, вспомните час-пик в метро, переход между двумя станциями, людей много, они расположены близко друг к другу и движутся медленно, так и свет, в оптически более плотной среде, протискивается между огромным количеством молекул.
В обычных материалах показатель преломления постоянный. Это некоторая константа, определенная для каждой среды. Но в метаматериале, мы может менять ход светового луча, то есть, мы можем, пренебрегая законом прямолинейного распространения света, заставить луч извиваться, или огибать какой-то объект. В этом случае, если электромагнитное излучение будет проходить вокруг тела, то все внутри этого тела станет невидимым. Электромагнитное излучение делиться на подгруппы, которые различаются длинами волн, соответственно, создавая метаматериал, необходимо учитывать длину волны света, для которой мы хотим сделать объект невидимым. Внедряемые наноструктуры для такого материала, должны быть меньше длины волны. Например, длина микроволнового излучения примерно 0,03 м, следовательно, имплантаты должны быть меньше 0,03 м.
Метаматериалы принято классифицировать по степени преломления: одномерные, двухмерные и трехмерные.
Применение метаматериалов
Метаматериалы открывают новые горизонты науки и техники, раздвигают границы невозможного. В любой сфере, где применяется электромагнитное излучение, метаматериалы найдут и уже находят свое применение.
В радиофизике и астрономии метаматериалы используются для защиты телескопов, в которых применяется длинноволновое излучение. С применением метаматериалов появились новые мощные лазеры, способные работать при меньшем потреблении энергии.
Сейчас, метаматериалы уже могут обеспечить невидимость в диапазоне частот, расположенным между инфракрасным и сверхвысокочастотным. Такой диапазон называется терагерцевым.(рис.4).
Рис. 4. Плащ из метаматерила
Перспективы развития
В будущем применение метаматериалов может способствовать созданию новых 3d принтеров, способных создавать качественные предметы. Появление мощных лазеров и дальнейшее развитие этой технологии может стать толчком к появлению лазерного оружия, которое мы привыкли видеть в фантастических фильмах.
Использование свойств метаматериалов вероятно в недалеком будущем станет основой антибликового открытия, которое можно будет использовать в военной промышленности, чтобы сделать невидимыми военную технику для радаров и сенсоров противника.
Также, метаматериалы могут стать ключом к технологии, которая позволит нам видеть через препятствия. В данный момент уже есть созданы устройства, которые способны проявлять сильный магнитный отклик в диапазоне излучения терагерц.
Литература:
- Перышкин А. В. Физика 8 класс
- Матвеев А. Н. Оптика
- Мякишев Г. Я. Физика 10–11 класс
- http://dev.bigenc.ru/physics/text/2208041
- https://powercoup.by/novyie-tehnologii/metamaterialyi
- https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/41403
- https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrotehnika/metamaterialy/
