Невидимость без шапки-невидимки

Петербургские физики создали объект, невидимый в микроволновом диапазоне, без использования специальных маскирующих оболочек из метаматериалов.

В последнее десятилетие исследованиям маскировки и невидимости объектов посвящено достаточно много работ. В них предложено несколько подходов для достижения этой цели на основе так называемых метаматериалов – сложных систем, оптические и электромагнитные свойства которых зависят не от свойств использованных веществ, а от созданной периодической структуры. Это позволяет конструировать материалы с заданными свойствами, в том числе и несуществующими в природе. Таким метаматериалом может быть, например, периодическая структура из металлических элементов, образующих некое подобие кристалла. Для простоты ее можно представить в виде помещенной в диэлектрик многослойной сетки, ячейки которой могут быть образованы элементами различной формы. Разные исследователи использовали сетки из проволоки, серебряных иголок, медных колец, пластин с отверстиями и т.п. Однако такие материалы сложны в производстве и работают в узком диапазоне частот.

Физики, представляющие Санкт-Петербургский университет информационных технологий, механики и оптики (Университет ИТМО) и Физико-технический институт имени А.Ф.Иоффе (ФТИ), экспериментально доказали возможность сделать невидимым наполненный водой стеклянный цилиндр, не используя никаких дополнительных покрытий из метаматериалов. Ценность разработанного метода в его простоте и экономичности. Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.  

Ученые исследовали рассеяние света от стеклянного цилиндра, заполненного водой, и обнаружили, что при высоких значениях коэффициента преломления материала имеют место два механизма рассеяния: резонансный и нерезонансный. Нерезонансный – это обычное рассеяние от среды, плавно зависящее от частоты, а резонансный - связан с поведением света внутри цилиндра, играющего роль резонатора. Во втором случае рассеяние происходит на отдельных частотах. При определенных условиях рассеянные этими механизмами волны оказываются в противофазе и могут взаимно уничтожиться при интерференции (наложении волн). Известное аналогичное взаимодействие волн в волноводах называется резонансами Фано.

Теоретически было предсказано, что такое взаимное уничтожение рассеянных волн позволяет сделать цилиндр невидимым, в том числе и в оптическом диапазоне. В данной работе физикам удалось полностью компенсировать рассеяние от цилиндра на частоте 1,9 ГГц. Более того, они смогли по желанию включать и выключать режим невидимости, изменяя коэффициент преломления воды путем ее охлаждения с 90 градусов Цельсия до 50.

Первый автор статьи, старший научный сотрудник лаборатории «Метаматериалы» Университета ИТМО и ФТИ, Михаил Рыбин отметил: «Наши теоретические расчеты полностью подтвердились в экспериментах в микроволновом диапазоне. Важно, что концепция невидимости, которую мы реализовали в нашей работе, может быть применена и в других диапазонах электромагнитного излучения, в том числе и в оптическом диапазоне. Материалы с соответствующим коэффициентом преломления, необходимые для этого, либо давно известны, либо могут быть разработаны».

Возможность подобной маскировки однородных объектов будет полезна при создании миниатюрных антенн, у которых несущая конструкция создает помехи в работе. Невидимость определенных элементов конструкции существенно уменьшит эти помехи. Например, из невидимых цилиндров можно создать несущие элементы миниатюрного антенного комплекса, который будет связывать два оптических чипа.

По сути предложенный метод основан на новом понимании хорошо известных процессов рассеяния света. Можно отметить, что еще в 1908 году известный немецкий физик Густав Ми решил задачу рассеяния света для сферической частицы произвольного размера. В частности, он показал, что при близости размеров частицы к длине волны существенной становится интерференция волн, отражённых от различных участков поверхности частицы, отчего появляется зависимость интенсивности рассеянного света от направления. Любопытно, что когда размеры частиц составляют несколько длин волн оптического диапазона, то при падении на них белого света наблюдатель увидит снова белый рассеянный свет. В этом причина белого цвета облаков на небе и молока.

Рис 3. Результаты численных расчетов для рассеяния. Рисунки a-d показывают электромагнитное поле вокруг, а e-h внутри цилиндра. (а, е) и (c, g) соответствуют сильному рассеянию (видимый режим); (b, f) и (d , h) – режиму невидимости. Внизу дан график зависимости эффективности рассеяния от частоты (черная линия – теория, зеленая – эксперимент). Виден провал (невидимость) на 1,9 и 6 ГГц