О невидимости, с фокусами и без

Первый способ лгать артистично таков: следует говорить правду, но не всю. Второй способ так же требует правды, но он сложнее: говори правду, даже всю... но настолько неубедительно, чтобы слушатель принял твои слова за ложь.
© Р. Хайнлайн, "Достаточно времени для любви, или жизни Лазаруса Лонга"

К сегодняшнему дню развитие нашей цивилизации подошло к тому моменту, когда вековые мечты человечества в большинстве случаев уже реализованы на практике. Сапоги-скороходы, ковёр-самолёт, дудка-самогудка, скатерть-самобранка, свет-мой-зеркальце, в смысле яблочко-по-тарелочке, печь-самоход и многое другое нынче окружает наш ежедневный быт в качестве привычных вещей и сервисов - может быть, не совсем в том виде, в котором грезилось предком, но, согласитесь, уж точно не в худшем.

Нереализованными до сих пор остались лишь немногие сказочные "умные вещи". Про некоторые сказочные "технологии" вроде цветика-семицветика, золотой рыбки и волшебной щуки говорить не будем как о совсем уж завиральных идеях. Некоторые из сказочных идей, скорее всего, в ближайшее время на практике реализованы не будут, например, Кощеево бессмертие или молодильные яблочки - механизм старения человеческого организма, увы, оказался значительно сложнее чем технология упрятывания иглы в яйце да в Тридевятом царстве.

Однако в то же время многие сказочные технологии близки к воплощению в нашу повседневную реальность, только непонятно когда они станут массовыми. И сегодня мы рассмотрим современный уровень реализации невидимости - не в сказочной интерпретации и не в виде Копперфильдовских фокусов, но именно в плане готовности технологий невидимости к внедрению в жизнь.

Напомню, что в рамках рубрики "IT-байки" мы уже рассматривали пару раз возможные пути реализации практической невидимости. Одна из статей - IT-байки: Нано-камуфляж для практикующих хамелеонов, напомню, была посвящена практическим исследованиям в области искусственной мимикрии, в то время как более ранняя статья 2006 года - IT-байки: О невидимости, мнимой и настоящей, представляла собой попытку классификации различных способов достижения невидимости. Ибо, согласитесь, достижение невидимости с помощью метаматериалов, принцип действия которых основан на оптических и электромагнитных свойствах, не идёт ни в какое сравнение с шарлатанскими фокусами с видеокамерой и проектором, проецирующими на полупрозрачный плащ картинку "заднего вида".

Время, между тем, не стоит на месте. За последние годы учёные, исследователи и технологи добились значительных успехов, при этом порой речь даже не о невидимости как таковой - смежные идеи обещают не менее интересный эффект от внедрения.

Так что обсудить действительно есть что. Поехали.

Если разобраться по сути, "видимость" различных объектов зависит от степени отражения/поглощения этими объектами падающего на него света. Классический случай невидимости - это прохождение света сквозь объект без отражения и поглощения. Однако в последнее время наиболее перспективными с практической точки считаются разработки, обещающие достижение полной или частичной невидимости за счёт огибания объекта световыми волнами. Эффект в этом случае тот же - свет не поглощается, объект невидим.

Именно в этом направлении работают учёные из лаборатории Беркли (Berkeley Lab) и Калифорнийского университета (University of California, UC) в Беркли. Применяя современные наноматериалы, группе исследователей удалось сконструировать своеобразную "шапку-невидимку", способную скрыть расположенный под ней объект в видимом диапазоне. Сама "шапка-невидимка" при этом прозрачна, а вот расположенный под ней объект визуально действительно не обнаруживается - просвечивание лучом света показывает отражение, идентичное отражению луча от ровной поверхности.

Решение вопроса невидимости учёные нашли с помощью применения диэлектрических метаматериалов на базе наноструктурированного кремния. Метаматериалы, напомню, это искусственно создаваемые композитные вещества с отрицательным (или левосторонним) коэффициентом преломления. Принцип отрицательного преломления, наглядно продемонстрированный в правой части на рисунке ниже, в природе не встречается.

Интересно отметить, что ранее эта же группа учёных обвестила мир об открытии эффекта невидимости с помощью комплексных метаматериалов на базе металлов и диэлектриков, обладающих уникальными оптическими свойствами.

В тех экспериментах учёные работали с "наносетью", сотканной из перемежающихся слоёв серебра с фторидом магния и серебряных нанопроводов внутри пористого оксида алюминия. Именно такой металлический метаматериал позволил добиться недоступного в реальной природе эффекта - излучения света в обратном направлении.

К сожалению, чудесные свойства металлических метаматериалов успешно применимы лишь для достижения невидимости в диапазоне СВЧ (3-30 ГГц), в диапазоне видимых частот они неэффективны - сказывается слишком сильное поглощение света металлическими элементами. В новой оптической "шапке-невидимке" из Беркли металла нет совсем, лишь оптически прозрачные для видимого света диэлектрики.

Речь, правда, пока что идёт лишь о создании невидимости в инфракрасном диапаззоне, к тому же в наномасштабах: в экспериментах, о которых сообщает статья в Nature Materials, учёные накрывали своей "невидимкой" площадку 3,8 на 0,4 микрон, а невидимость под различными углами обзора наблюдалась в диапазоне волн 1400 - 1800 нм, что уже достаточно близко к инфракрасной границе видимого света. Невидимость демонстрировалась на прямоугольной кремниевой пластинке толщиной 250 нм, служащей своеобразным световодом, ограничивающем прохождение света в вертикальном направлении, но позволяющем беспрепятствено проходить в двух других измерениях.

Превращение кремниевой пластинки в метаматериал стало возможным благодаря созданию в ней перфорированной структуры с отверстиями диаметром 110 нм каждое. Именно такая структура "заставляет" свет огибать объект подобно тому как вода в ручье обтекает камень. Наглядно принцип действия этого эффекта поясняет размещённый ниже видеоролик.

Несмотря на существенные органичения технологии в её нынешней реализации, учёные полны оптимизма на перспективу. Следующим этапом своих исследований они наметили достижение невидимости не в двух, а во всех трёх измерениях. К тому же благодаря полностью диэлектрической конструкции композиции учёные не видят преград для масштабирования технологии на диапазон видимых волн - главным образом, за счёт более тщательного изготовления. В целом же технология при переходе к массовому производству обещает быть относительно недорогой.

Итак, если закрыть глаза на масштабы и специфические оговорки по диапазону волн невидимости, можно сказать что к настоящему времени учёные с грехом пополам преуспели в создании эффекта невидимости с помощью метаматериалов с отрицательным индексом рефракции, благодаря которым излучение миллиметровых-сантиметровых, инфракрасного ив перспективе даже видимого диапазонов волн могут огибать "завёрнутый" объект как воздух лопасти вентилятора. Тем не менее, способ этот не без недостатоков даже в очень отдалённой перспективе практического внедрения. В частности, кроме существенных ограничений по габаритам маскируемых объектов - пока что речь лишь о сотнях нанометров, такая "шапка-невидимка" должна быть в непосредственном контакте со скрываемым объектом или в непосредственной к нему близости.

А что если взамен опытов с отрицательной рефракцией попробовать применить трансформационные оптические эффекты, которые даже при удалённом расположении позволят достичь невидимости и даже превратить маскируемый объект во что-то совершенно другое?

Вопросом реальности реализации такой задачи заинтересовалась группа учёных-теоретиков из научно-технологического университета Гонконга (Hong Kong University of Science and Technology). Результаты исследований, размещённые в статье Illusion Optics: The Optical Transformation of an Object into Another Object журнала Physical Review Letters, говорят о том, что это вполне возможно.

Правда, и в этом случае опять никуда не деться от применения метаматериалов. Основная суть идеи гонконгских учёных заключается в следующем: для достижения невидимости скрываемого объекта или даже формирования иллюзии другого объекта вместо настоящего можно использовать двойную структуру из разных метаматериалов. Сначала так называемый комплементарный промежуточный материал "оптически аннулирует" укрываемую область, затем "восстанавливающий" материал позволит превратить скрытый объект в "пустое место" или во что-то другое.

В первом случае - имитации исчезновения, скрытый объект, по мнению учёных, будет прозрачен как воздух, сквозь который, как в случае классической невидимости, можно будет видеть всё остальное. Во втором случае - превращения скрываемого объекта во что-то иное, потребуется применение более сложных техник оптического преобразования.

Впрочем, сами учёные пока что говорят о "превращения" сугубо в теоретическом ключе. Зато в качестве вполне реального и подтверждённого вычислениями преимущества перед другими технологиями невидимости, требующими непосредственного контакта с "колпаком невидимости", учёные называют возможность размещения двойной структуры метаматериалов даже на удалении от скрываемого/оптически трансформируемого объекта, при этом имеется теоретическая возможность дистанционного контроля и управления областью невидимости.

Увы, как и большинство теоретических исследований, идея двойной оптической трансформации с помощью метаматериалов пока имеет ряд проблем, не решённых на практике. Получение материалов с положительным коэффициентом рефракции действительно не представляет никакой производственной сложности, в то время как необходимые для практических экспериментов материалы с отрицательным индексом рефракции - структуры с эффектом фазовой задержки, по-прежнему известны более как объекты лабораторных исследований нежели массовые изделия.

Тем не менее, группа гонконгских учёных-теоретиков уже приступила к практическому воплощению идеи в содружестве с группой экспериментальных исследователей. Пока одна группа занимается экспериментами с электромагнитными волнами, другая группа исследует те же принципы в приложении к звуковым волнам. Есть надежда, что в случае удачных исследований со звуковыми волнами, экстраполяция результатов на более высокие частоты, включая видимый диапазон, пойдёт более быстрыми темпами.

На самом деле в мире насчитываются десятки научных коллективов, занимающихся вопросами практической реализации невидимости, в том числе, с помощью метаматериалов и в том числе в России. Другое дело, что приведённая выше пара примеров в целом показывает общий достигнутый уровень этих технологий: где-то уже идут эксперименты с невидимостью в наномасштабах, а где-то и вовсе пока речь об идеях, изложенных лишь на бумаге, в теоретическом виде.

Тем не менее, не удержусь от цитирования амбициозных планов гонконгских учёных - вот что они пишут в резюме своей статьи:  This type of illusion device also enables people to see through walls.

Во как! Учитесь продавать идею на корню: технология ещё в теории, но уже сейчас говорят о "возможности видеть сквозь стены"! Высший пилотаж! Учёные из Беркли, кстати, гораздо сдержаннее комментируют будущее своего изобретения, хотя и они с удовольствием рассуждают о "новых типах микроскопов и базе для фотоэлектроники, способной стать основой быстрых компьютеров будущего".

Впрочем, также никто не питает иллюзий, что в случае удачного исхода экспериментов первыми к технологиям приложатся военные. Косвенным тому подтверждением также может служить тот факт, что исследования лаборатории в Беркли финансируются не только предствитетельством по науке при Министерстве энергетики США, но также исследовательским отделом армии США (U.S. Army Research Office). Вполне очевидно, что даже на данном этапе исследований даже металлические метаматериалы, делающие невидимыми объекты в микроволновых диапазонах волн, вполне могут вдохнуть вторую жизнь в проекты невидимых для радаров самолётов и другой военной техники. Что говорить про возможность создания поверхностей, невидимых для человеческого глаза, здесь у военных самое широкое поле для практического внедрения.

Гражданские, впрочем, также могут рассчитывать на неплохие перспективы применения невидимости, хотя, судя по темпам разработки, о настоящих шапках-невидимках пока говорить ещё очень и очень рано.

Скорее всего, первоначально технологии невидимости будут реализованы в виде миниатюрных устройств для технического применения, затем появятся более крупные образцы - скорее всего, с наборной структурой, и только в очень отдалённой перспективе можно говорить о достижении оптической невидимости в масштабах человеческого тела, танка, дома. Тем не менее, вряд ли кто-то сомневается в том, что из сказочных технологий невидимость покорится раньше чем, скажем, бессмертие. В конце концов, в случае невидимости речь идёт лишь об оттачивании и совершенствовании технологий.