ПЛАЩ-НЕВИДИМКА
Японские физики создали материал, делающий укрытые им предметы совершенно невидимыми – правда, пока только в теории. Для его создания потребуется особый диэлектрик – метаматериал с отрицательным (левосторонним) коэффициентом преломления.
Движение луча на границе обычной среды (слева) и на границе среды с отрицательным коэффициентом преломления
Поперечное сечение «плаща-невидимки»: желтыми линиями показан волновой фронт, остальные цвета отмечают границы между 5-ю метаматериалами, из которых «плащ» построен. Область вне радиуса 1 – среда w1 (коэффициент преломления > 0); область, окруженная красными и синими линиями – ось х материала R1 (коэффициент преломления > 0); область, окруженная синими и коричневыми линиями – материал R2 (коэффициент преломления < 0); коричневыми и зелеными – материал R3 (коэффициент преломления > 0); сиреневыми и зелеными – R4 (коэффициент преломления < 0)
Увеличение центральной области «плаща»: показано движение фронта волны излучения – они огибают центральный регион, где и можно скрыть «невидимый» объект
«Плащ-невидимка» Сусуму Тачи устроен попроще; упрощенная схема его работы приведена в углу
«Невидимый плащ» не отражает падающие на него волны и не создает фазовой задержки при их прохождении. Для его создания потребуется особый диэлектрик – метаматериал с отрицательным (левосторонним) коэффициентом преломления.
Напомним, что метаматериалами называются материалы, свойства которых обусловлены особенностями их структуры, а не состава. Мы уже рассказывали о них, говоря о покрытии военных самолетов, кораблей и бронетехники, способном полностью нейтрализовать импульсы боевых лазеров («Антилуч»). В данном же случае с использованием метаматериалов японский теоретик Томоширо Очиаи (Tomoshiro Ochiai) с коллегами создали «на кончике пера» концептуальную теоретическую модель настоящего «плаща-невидимки». Нечто похожее уже демонстрировали в действии американские ученые («Первые шаги невидимки»):
В данном случае «плащ-невидимка» представляет собой пустотелый цилиндр, падающие на который электромагнитные волны огибают внутреннюю полость и снова продолжают свой путь на его противоположной стороне. В результате волновой фронт остается совершенно таким, как если бы на его пути не стояло никакого цилиндра. Правда, пока что все это «работает» только для волн определенной частоты. Зато предложенный японскими теоретиками вариант полностью соответствует основным требованиям, которые предъявляются в принципе к настоящему плащу-невидимке: не отражать света и не вызывать изменения фазы и направления проходящего излучения.
Для этого ученые использовали соединение 5-ти разных метаматериалов с различными коэффициентами отражения и разным его распределением внутри самого материала. Эти коэффициенты соединяются, дополняя друг друга, наподобие кирпичей в стенной кладке. Когда на этот цилиндрический «плащ» падает излучение, в окрестностях радиуса -3 (на иллюстрации слева) фронт волны начинает изгибаться, и изгибается все сильнее. Но поскольку по мере прохождения через метаматериал коэффициент преломления меняется, к радиусу 3 изгиб этот полностью выправляется обратно – так, будто никакого предмета на пути волны и не стояло.
Стоит заметить, что среда w1 с положительным коэффициентом преломления не имеет четкой границы с окружающим пространством (имеющим коэффициент преломления 1), а соединяется с ним «постепенно», на манер газа. При этом коэффициент преломления этой «смеси» внешней среды и w1 по мере приближения к центру цилиндра нарастает. Из остальных четырех материалов два (R2 и R4) имеют отрицательный коэффициент преломления, а два (R1 и R3) – положительный. Они подобраны и расположены таким образом, что на границе между всеми парами абсолютное значение коэффициента преломления одинаково – разнится только его знак.
Таким образом, центральная часть «плаща» недосягаема для света, падающего под любым углом, и, что бы мы там ни спрятали, будет совершенно невидимо со стороны. На приведенных иллюстрациях радиус этой области составляет 0,12 – ничтожную долю всего размера цилиндра (его радиус – 5), хотя точная цифра зависит от конкретных значений коэффициентов преломления используемых метаматериалов и от их распределения. Для света этот коэффициент – примерно то же, что и ямки с пригорками для мяча на поле для гольфа: именно он определяет направление его дальнейшего движения на границе двух сред. И невидимый цилиндр устроен так, что распределение коэффициента преломления не дает лучу двигаться в направлении центральной области, зато все время «подталкивает» обойти его стороной.
Жаль только, что теоретики ушли в своих изысканиях гораздо дальше практиков – и гораздо ближе к почти волшебным свойствам вещей. Они просчитали не только «плащ-невидимку», но и «ковер-самолет» - мы рассказывали об этом в заметке «Вибрации полета».
А практики развлекаются по-своему: японский же ученый Сусуму Тачи (Susumu Tachi) разработал и с успехом демонстрирует другое изобретение, которое можно назвать «невидимкой» с большой натяжкой. Такая одежда состоит из «крупинок», каждая из которых воспроизводит свою часть изображения, полученного камерой на противоположной стороне. Так что разглядывать этого «невидимку» нужно только со строго определенного угла, со всех остальных он предстанет обычным человеком