Метаматериалы или дилемма «невидимости».
Доклад выполнил

Боровков Иван.

ДКВ-101.
Введение. Определение. Использование.

В науке нечасто приходится пересматривать основы какой-либо дисциплины. Оптика как раз составляет исключение благодаря созданию метаматериалов.

Владимир Шалаев, член консультативного научного совета фонда "Сколково", профессор Университета Пердью (США).
Когда мы говорим о ранее неизвестном предмете, его свойствах и преимуществах, разумно в самом начале дать ему определение. В докладе я равномерно распределил больше десяти определений метаматериала, по-разному раскрывающих природу данного субъекта, а самое главное позволяющих читателю более полно уяснить о чем идет речь.

Я приведу базовые характеристики метаматериалов, примеры невероятных вещей, которые стали возможными благодаря ним, а также примеры вещей фантастических, которые станут обыденностью в будущем. Поехали.

Метаматериа́л — материал, природные свойства которого обусловлены не столько природными физическими свойствами, сколько периодической микроструктурой создаваемой человеком.

Метаматериалы синтезируются внедрением в исходный природный материал различных периодических структур с самыми различными геометрическими формами, которые модифицируют диэлектрическую ε и магнитную μ восприимчивости исходного материала. В очень грубом приближении такие включения можно рассматривать как искусственные, чрезвычайно больших размеров атомы. Разработчик метаматериалов при их синтезировании имеет большой выбор свободных параметров (размеры структур, форма, постоянный и переменный период между ними и т. д.).



Метаматериалы не существуют в природе. Это исключительно рукотворные объекты, позволяющие за счет созданной неоднородности их структуры управлять свойствами света и добиваться захватывающих эффектов.

Главная особенность метаматериалов - отрицательный (или левосторонний) коэффициент преломления, который проявляется при одновременной отрицательности диэлектрической и магнитной проницаемостей. Первое теоретическое обоснование возможности их существования было дано советским физиком Виктором Веселаго в 1968 году. Любопытно, что статья Веселаго на эту тему в журнале "Успехи физических наук" стала наиболее цитируемой публикацией в истории этого издания.

Долгое время "работающие" метаматериалы в силу ряда ограничений получить не удавалось. Однако недавно группа ученых под руководством Владимира Шалаева показала, что материалы с отрицательным коэффициентом преломления, в которых практически нет потерь, реально создавать в оптическом диапазоне длин волн.

По своей структуре метаматериалы, созданные в Университете Пердью, напоминают рыбацкую сеть, ячейки которой состоят из серебра и окиси алюминия.

«Создание и использование метаматериалов только начинается. Это задача новой области науки - трансформационной оптики», -  сказал Шалаев.

"Можно создавать пространственное распределение диэлектрической и магнитной проницаемости - и проделывать различные трюки со светом", - пояснил докладчик.

Метаматериалы позволяют, по словам ученого, "привести" свет к наномасштабу и далее им манипулировать. К примеру, работы в соответствующей области нанотехнологий - нанофотонике - позволят создавать устройства, гораздо быстрее обрабатывающие информацию, чем существующие компьютеры.

"Можно заставить свет огибать нужную часть пространства - и тогда получится шапка-невидимка", - привел наиболее популярный пример использования метаматериалов Шалаев.

"Герберт Уэллс, создавая своего человека-невидимку, сформулировал проблему почти с научной точностью", - сказал ученый.

Однако, по мнению специалиста, в трансформационной оптике есть гораздо более интересные вещи. Можно, к примеру, создать оптический аналог черной дыры - такую область пространства, которая будет затягивать в себя свет. Можно "заставить" свет концентрироваться в отдельной точке пространства. И уж совсем фантастично то, что метаматериалы позволяют (правда, пока теоретически) моделировать различные задачи космологии.

Основа эффекта.

Итак, интригующее вступление и оптимистичный взгляд одного из ведущих нанотехнологов мира плавно подвели нас к теоретической части описания эффекта отрицательного показателя преломления света, коим обладают вышеупомянутые метаматериалы.
Прохождение света через границу сред у одной из которых показатель преломления положителен n1 > 0,
 другой — отрицателен n2 < 0.


Прохождение света через границу сред, у которых оба показателя преломления положительны n1 > 0 n2 > 0.

Уравнение распространения электромагнитных волн в изотропной среде имеет вид:

k² − (ω / c)²n² = 0                                                                                                                  (1)

где k — волновой вектор, ω — частота волны, c — скорость света, n² = εμ — квадрат показателя преломления. Из этих уравнений очевидно, что одновременная смена знаков у диэлектрической ε и магнитной μ восприимчивости среды никак не отразится на этих соотношениях.

Уравнение (1) полученно на основе теории Максвелла. Для сред у которых диэлектрическая ε и магнитная μ восприимчивости среды одновременно положительные, три вектора электромагнитного поля — электрический и магнитный и волновой образуют систему т. н. правых векторов.





Такие среды, соответственно, называют «правыми».

Среды, у которых ε, μ — одновременно отрицательные, называют «левыми». У таких сред электрический , магнитный и волновой вектора образуют систему левых векторов.

Поток энергии, переносимой волной, определяется вектором Пойнтинга , и который равен . Вектор всегда образует с векторами , правую тройку. Таким образом, для правых веществ и направлены в одну сторону, а для левых — в разные. Так как вектор совпадает по направлению с фазовой скоростью, то ясно, что левые вещества являются веществами с так называемой отрицательной фазовой скоростью. Иными словами, в левых веществах фазовая скорость противоположна потоку энергии. В таких веществах, например, наблюдается обращенный допплер-эффект.

Существование отрицательного показателя среды возможно при наличии у нее частотной дисперсии. Если одновременно ε < 0, μ < 0, то энергия волны W = εE² + μH² будет отрицательной(!). Единственная возможность избежать этого противоречия будет наличие у среды частотной дисперсией и .

Примеры распространения волны в левой среде.
Двояковыпуклая линза , сделанная из материала с отрицательным показателем преломления, расфокусирует свет, а двояковогнутая - фокусирует.


Плоскопараллельная пластина из материала с отрицательным показателем преломления работает как фокусирующая линза. Красная точка изображает источник света.                                                                                                                                                                                                        


                                                                                                                                                                     Отражение луча, распространяющегося в среде с n < 0, от идеально отражающей поверхности. Луч света при отражении от тела увеличивает свой импульс на величину , (N-число падающих фотонов). Световой давление, оказываемое светом на поглощаюшие правые среды, сменяется его притяжением в левой среде.


Достижения.

1. Суперлинза.

Джон Пендри и его коллеги в Physical Review Letters утверждают, что в материалах с отрицательным показателем преломления можно преодолеть дифракционный предел разрешения обычной оптики. В правой среде пространство изображений линзы нетождественно самому предмету т.к. оно формируется без затухающих (evanescent) волн. В левой среде затухающие волны не затухают, даже наоборот их амплитуда увеличивается при удалении волны от предмета, поэтому изображение формируется с участием затухающих волн, что может позволит получать изображения с лучшим, чем дифракционный предел, разрешением.

Первая экспериментально продемонстрированная линза с отрицательным показателем преломления имела разрешение в три раза лучше дифракционного предела. Эксперимент проводился с микроволновыми частотами. В оптическом диапазоне суперлинза была реализована в. Это была линза не использующая негативную рефракцию, однако, для усиления затухающих волн использовался тонкий слой серебра. Для создания линзы используются чередующиеся нанесенные на подложку слои серебра и фторида магния, на которых затем нарезалась нанорешетка. В результате создавалась трехмерная композиционная структура с отрицательным показателем преломления в ближней инфракрасной области. Во втором случае, метаматериал создавался с помощью нанопроволок, которые электрохимически выращивались на пористой поверхности оксида алюминия.

2. Видение сквозь стены.

Группа учёных из университета Калифорнии (University of California) в кооперации с исследователями из ряда научных учреждений США и Британии разработала новый класс искусственных материалов, которые демонстрируют сильный магнитный отклик на излучение терагерцевого диапазона.

Этот диапазон лежит между инфракрасным и микроволновым спектром и вплоть до последних лет был "terra incognita". Ведь для обычных лазеров такие частоты излучения слишком низки, а для микроволновых устройств — слишком высоки.

Лишь в последние несколько лет учёным удалось получить терагерцевые источники излучения.

Для этого пришлось скомбинировать последние достижения сразу в нескольких областях: полупроводники, лазеры с очень высокой частотой следования сверхкоротких (например, фемтосекундных) импульсов, ускорители частиц и так далее.

Выяснилось, что терагерцевые лучи сочетают высокую проникающую способность, подобную таковой у радиоизлучения, с удобством фокусировки, сходным со световыми лучами.

Сразу обозначились сферы применения новой технологии: метеорология и океанография, радары с новыми свойствами, всепогодная навигация, дистанционное обнаружение оружия под одеждой, проверка качества деталей, наконец — медицина, где безопасные для организма терагерцевые волны могут составить мощную конкуренцию рентгену.

При этом изображение, полученное в терагерцевых лучах отличается высокой контрастностью, даже когда составные части просвечиваемого предмета имеют близкую плотность.

Возможность открытия была дана метаматериалом, разработанным калифорнийскими исследователями, состоящим из кварцевой пластины, на которую нанесено множество шаблонных медных элементов, названных разрезными кольцевыми резонаторами.

Каждый из них составлен из двух концентрических медных квадратов. В свою очередь, все квадраты имеют в своём периметре микроскопический разрыв.

При этом разрыв в большем квадрате находится на противоположной стороне по отношению к разрыву в меньшем квадрате.

Ширина одного резонатора — примерно 50 микронов, меньше чем толщина человеческого волоса.

Медные элементы, составляющие метаматериал, походят на атомы в кристаллической решётке. И в то время, как медь сама по себе не является магнитной, геометрия резонатора приводит к эффективному магнитному отклику, так что всё соединение может быть охарактеризовано, как магнитное.

При этом оказалось, что при расположении резонаторов не на плоской, а на сложной поверхности, похожей, скажем, на соты, можно получить материалы, преломляющие терагерцевые лучи подобно линзам.

3. Плащ-невидимка.

Реальное воплощение "шапки-невидимки" — правда, только для микроволн и для двух измерений, — продемонстрировали Дэвид Смит (David R. Smith), Дэвид Шуриг (David Schurig) из школы инжиниринга Пратта университета Дюка (Duke University, Pratt School of Engineering) и Джон Пендри (John Pendry) из Имперского колледжа Лондона (Imperial College London).

Прибор представляет собой широкий (диаметром несколько сантиметров), но очень низкий цилиндр, окружённый рядом концентрических колец из так называемых метаматериалов.

При облучении этого цилиндра точно с ребра (потому учёные и говорят о двухмерности данной технологии невидимости) метаматериалы так отклоняют волны, что после цилиндра форма их фронта почти точно восстанавливается, словно никакого цилиндра нет. Правда, восстановление происходит не полное, но очень близкое к оригиналу.

Метаматериалы — это искусственные конструкции, напоминающие очень тонкий узор, составленный из различных веществ: проводников и диэлектриков. Своё название они получили потому, что могут взаимодействовать с электромагнитными волнами так, как не могут никакие естественные материалы по отдельности.

Новое американское устройство, называемое его авторами "плащом невидимости", является одной из самых сложных структур, сделанной когда-либо из метаматериалов. В качестве ингредиентов создатели "плаща" использовали стеклопластик и медь.

Хотя сокрытие цилиндра в микроволновой области впечатляет, исследователи говорят, что это первый "шаг ребёнка" на пути новой технологии невидимости. Трёхмерный вариант устройства и более совершенная система отклонения волн потребуют дальнейших исследований.
4.1. Альтернатива невидимости или иллюзия существования.

Китайские учёные разработали очередную технологию "невидимости". Однако на этот раз речь идёт не об исчезновении предметов из нашего поля зрения – наоборот, новые метаматериалы создают иллюзию того, что объекты больше, чем они есть на самом деле.

По словам Джона Пендри (John Pendry) из Имперского колледжа Лондона (Imperial College London), чьи теоретические построения были использованы китайцами, исследованный эффект впечатляет даже больше, чем "плащи-невидимки". "Это похоже на магию", — смеётся британский учёный.

Группа из Шанхайского университета решила подумать над тем, как можно спрятать не то, что есть, а то, чего нет, — дверной проём, к примеру.

Суть новой технологии в искажении отражённого света от объекта таким образом, чтобы он казался больше, чем в действительности. Специальная стойка из такого материала, помещённая посередине проёма, как бы "дотягивает" друг до друга края стены, не соприкасающиеся между собой (для внешнего наблюдателя), перекрывая тем самым реально существующий проход.

Сюйдун Ло (Xudong Luo) и его коллеги из университета Цзяо Тун в Шанхае (Shanghai Jiao Tong University) представляют ежемесячной отчет о проделанной работе, который оставляют на сервере университета, на который можно зайти поставив себе маску IP одного из компьютеров университа. Вот их отчет в оригинале.

By using the novel property of the rectangular superscatterer, we propose a design which can conceal an entrance from electromagnetic wave detection. Such a superscatterer is realized by coating a negative index material shell on a perfect electrical conductor rectangle cylinder. The results are numerically confirmed by full-wave simulations both in the far-field and near-field.

Based on the concept of complementary media, we propose a novel design which can enhance the electromagnetic wave scattering cross section of an object so that it looks like a scatterer bigger than the scale of the device. Such a ``superscatterer'' is realized by coating a negative refractive material shell on a perfect electrical conductor cylinder. The scattering field is analytically obtained by Mie scattering theory, and confirmed by full-wave simulations numerically. Such a device can be regarded as a cylindrical concave mirror for all angles.

4.2. Блеф-стена.

Новая вариация технологий невидимости испытана в лабораторных условиях. Правда, небольшое устройство работает только в радиодиапазоне, но его авторы полагают, что главное — демонстрация принципа. В теории его можно распространить и на видимый спектр, хотя это займёт немало времени.

В определённых условиях электромагнитные волны "не хотят" продвигаться через открытый трапецевидный проход, как будто на его месте стена

Группа физиков из института электроники Китайской академии наук (Institute of Electronics), университетов Сучоу (Soochow University) и гонконгского научно-технологического (HKUST) построила "невидимые ворота" — миниатюрный аналог фантастической платформы 9 и 3/4.

Система является практически полной противоположностью плащу-невидимке, — передаёт Physics World. Если "плащ" создаёт иллюзию отсутствия реального объекта, то "ворота" формируют впечатление, что объект (в данном случае стена) существует там, где на деле его нет (то есть имеется открытый канал).

Установка основана на сетях из конденсаторов и катушек индуктивности. Они формируют свободный вырез меж двух проводящих стен. Причём одна из них – это метаматериал с отрицательным индексом диэлектрической проницаемости. Сочетание разных метаматериалов формирует на их поверхности плазмоны (волны электронной плотности), которые не позволяют электромагнитному излучению пройти в открытый проём.

Наблюдатель (при условии, что зрение его работает в диапазоне 45-60 МГц) на месте этого проёма увидит продолжение окружающих стенок.

4.     
Антизеркало.

Не существовавший ранее в природе тип отражающей поверхности создали британские физики. Для невооружённого глаза новое зеркало отражает видимый свет так же, как обычное. Но на деле — принципиально по-другому. О достижении рапортуют Александр Шванеке (Alexander Schwanecke) и его коллеги из Центра нанофотоники университета Саутгемптона (NanoPhotonics Portfolio Centre).

Крошечный фрагмент магнитного зеркала под электронным микроскопом (фото Alexander Schwanecke).

Прежде, чем описать новинку, нужно пояснить, что когда обычное зеркало отражает свет, оно не только направляет луч в соответствии с законом отражения (помните — угол отражения равен углу падения), но проделывает со светом ещё одну, незаметную для глаз вещь. Оно меняет фазу электрической составляющей электромагнитной волны на противоположную, оставляя фазу магнитной составляющей неизменной.

Так ведут себя естественные материалы при отражении лучей. А вот магнитное зеркало, созданное Шванеке, действует прямо противоположным образом — при отражении электромагнитной волны оно обращает магнитную составляющую колебаний, но не трогает электрическую. Так что в сравнении с зеркалом обычным, это можно было бы назвать антизеркалом.

Интересно, что созданное учёными зеркало работает с видимым диапазоном световых волн, так что теоретически в него можно посмотреться. Только оно очень мало — это квадратик со стороной 500 микрометров. Но даже если бы такое зеркало сделали макроскопического размера — на глаз никто разницу бы не увидел.

А вот в экспериментах с интерференцией, или в других "тонких" опытах, вроде обнаружения отдельных молекул по излучению — разница уже налицо. Авторы устройства говорят, что его экзотические свойства могут пригодиться во многих экспериментах со светом, в создании новых типов фотодатчиков или элементов систем связи. Тем более, что, по их словам, можно построить такое же зеркало и для инфракрасного диапазона.

Секрет же изобретения заключается в том, что фактически это зеркало — метаматериал, то есть хитроумная комбинация на микроуровне обычных веществ, дающая свойства, не присущие ни одному из них по отдельности.

Это зеркало состоит из двух слоёв подложки (сначала алюминий, сверху — диоксид кремния) и рабочего слоя, выполненного из алюминия, но не сплошного, а в виде упорядоченной структуры из волнистых нанопроводов, образующих рисунок "рыбья чешуя". Размер "чешуек" — меньше длины волны падающего света. На поверхности этого зеркала таких элементов поместился целый миллион. Эти-то "чешуйки" и отвечают за отражение электромагнитной волны столь неправильным образом.

Небольшое заключение.

         На данный момент уже создан трёхмерный метаматериал для инфракрасных лучей, а также трёхмерный метаматериал в области видимого света.

            Ученые разрешают вопросы, касающиеся черных дыр. Метаматериал позволит их создать. Ему уже обязаны и будут обязаны в будущем многие и многие открытия в самых разных сферах интересов человечества. Вопрос стоит не «Где бы можно их применить?», а «Где их применить не получится?».

            Метаматериал переворачивает наше понимание обыкновенных, привычных нам вещей. И это только начало!

            Я начал свой доклад со слов одного из ведущих нанотехнологов мира Владимира Шалаева, сказанных им на лекции в Физическом институте имени П.Н. Лебедева РАН, за что благодарен Артемьеву Денису, предоставившему мне конспект.

            Я закончу доклад словами члена консультативного научного совета фонда "Сколково", профессора Университета Пердью (США) Владимира Шалаева.

Трансформационная оптика - та часть науки, в которой количество идей уже значительно опережает экспериментальные возможности. Тем не менее в ближайшее время следует ждать новых результатов, которые, в конечном счете, приведут к перевороту в разных областях науки и техники.



Приложение.*

Здесь я решил напечатать оригинальную статью внутреннего журнала Принстона, из которой вы узнаете роль русских ученых в создании и совершенствовании метаматериалов.

Novel semiconductor structure bends light 'wrong' way -- the right direction for many applications

by Hilary Parker · Posted October 14, 2007; 01:00 p.m.

A Princeton-led research team has created an easy-to-produce material from the stuff of computer chips that has the rare ability to bend light in the opposite direction from all naturally occurring materials. This startling property may contribute to significant advances in many areas, including high-speed communications, medical diagnostics and detection of terrorist threats.

The new substance is in a relatively new class of materials called "metamaterials," which are made out of traditional substances, such as metals or semiconductors, arranged in very small alternating patterns that modify their collective properties. This approach enables metamaterials to manipulate light in ways that cannot be accomplished by normal materials.

Previous metamaterials were two-dimensional arrangements of metals, which limited their usefulness. The Princeton invention is the first three-dimensional metamaterial constructed entirely from semiconductors, the principal ingredient of microchips and optoelectronics.

"To be useful in a variety of devices, metamaterials need to be three-dimensional," said Princeton electrical engineering professor Claire Gmachl, one of the researchers on the study. "Furthermore, this is made from semiconductors, which are extremely functional materials. These are the things from which true applications are made."

The research team, led by Princeton engineering graduate student Anthony Hoffman, will publish its findings online Oct. 14 in the journal Nature Materials. Other Princeton researchers on the team include graduate students Leonid Alekseyev, Scott Howard and Kale Franz; former Council of Science and Technology fellow Dan Wasserman, now at the University of Massachusetts-Lowell; and former electrical engineering professor Evgenii Narimanov, now at Purdue University. The team also includes collaborators from Oregon State University and telecommunications firm Alcatel-Lucent.

Light waves and other forms of electromagnetic radiation bend whenever they pass from one medium to another. This phenomenon, called refraction, is readily observable when a straw placed into a glass of water appears to be bent or broken. Lenses in reading glasses or a camera work because of refraction.

All materials have an index of refraction, which measures the degree and direction that light is bent as it passes through them. While materials found in nature have positive refractive indices, the material recently invented by Princeton researchers has a negative index of refraction.

In the case of the straw in a glass, normal water would make the underwater portion of the straw appear to bend toward the surface. If water were able to refract light negatively, as the newly invented semiconductor does, the segment of straw under the water would appear as if it were bending away from the surface.

Far more than a neat optical illusion, negative refraction holds promise for the development of superior lenses. The positive refractive indices of normal materials necessitate the use of curved lenses, which inherently distort some of the light that passes through them, in telescopes and microscopes. Flat lenses made from materials that exhibit negative refraction could compensate for this aberration and enable far more powerful microscopes that can "see" things as small as molecules of DNA.

In addition, the Princeton metamaterial is capable of negative refraction of light in the mid-infrared region, which is used in a wide range of sensing and communications applications. Its unique composition results in less lost light than previous metamaterials, which were made of extremely small arrangements of metal wires and rings. The semiconductors that constitute the new material are grown from crystals using common manufacturing techniques, making it less complex, more reliable and easier to produce.

"Currently, the typical infrared lens is a massive object -- the setups are bulky," Hoffman said. "This new material may enable more compact mid-infrared optics because we now have a new material with an entirely new set of optical parameters in our toolkit."

The research is part of a multi-institutional research center called Mid-Infrared Technologies for Health and the Environment (MIRTHE). Researchers at MIRTHE are developing compact sensors that detect trace amounts of gases in the atmosphere and human breath. These could one day be used in devices that monitor air quality and enhance homeland security, as well as in non-invasive and on-the-spot medical tests for diabetes and lung disease.

The research relies on a new type of laser that emits mid-infrared light. Gmachl, who directs the MIRTHE project, said the new material could be used to make the lasers better and smaller.

Next, the team plans to incorporate the new metamaterial into lasers. Additionally, the researchers will continue to modify the material in attempts to make features ever smaller in an effort to expand the range of light wavelengths they are able to manipulate.

The work was supported by the MIRTHE center and the Princeton Center for Complex Materials, both sponsored by the National Science Foundation.