Всякая всячина 2015 №03
Шрифт:
Виктор Георгиевич Веселаго длительное время занимался экспериментальными исследованиями магнитных веществ и сильных магнитных полей. Но в мировом научном сообществе он стал знаменит в одночасье благодаря одной небольшой, чисто теоретической статье по электродинамике, опубликованной в далеком 1967 году. Он предсказал существование материалов, из которых можно сделать шапку-невидимку.
В начале 2001 года дома у Виктора Веселаго, завлабораторией магнитных материалов отдела сильных магнитных полей Института общей физики РАН (ИОФАН) им. А. М. Прохорова, раздался звонок телефона. «Профессор, —
Упражнение для ума
После окончания школы, где он всерьез увлекся радиотехникой, Веселаго поступил на только что созданный физико-технический факультет МГУ (позднее ставший самостоятельным вузом — МФТИ). Диплом он защитил в ФИАН под руководством А. М. Прохорова (будущего лауреата Нобелевской премии 1964 года по физике), а затем продолжил работу в институте уже как научный сотрудник.
В 1960-х годах он заинтересовался магнитными полупроводниками — материалами, которые проявляют свойства как ферромагнетиков, так и полупроводников (их проводимость меняется при изменении магнитного поля). «Есть такой электровакуумный прибор — лампа бегущей волны, он используется в качестве усилителя СВЧ-сигналов, — объясняет профессор Веселаго. — Усиление здесь происходит за счет взаимодействия электронов с электромагнитной волной. Я подумал, что можно было бы попробовать создать такой прибор в твердотельном варианте, а для этого нужен был материал, сильно замедлявший скорость распространения электромагнитной волны, то есть с очень высоким показателем преломления. Показатель преломления (n) определяется как квадратный корень из произведения диэлектрической проницаемости и магнитной проницаемости (µ). Идея с магнитным полупроводником не оправдала себя (нужный режим работы подобрать не удалось), но заставила меня внимательно рассмотреть вещества с различными и µ, и положительными, и отрицательными. Вещества с обеими положительными величинами — это хорошо известные обычные диэлектрики. С положительным и отрицательным µ — ферромагнетики. С отрицательным и положительным µ — плазма. А вот веществ с отрицательными и µ тогда известно не было. Листок с формулой показателя преломления лежал у меня на столе, я смотрел на него и вдруг подумал: но ведь в таком случае и сам показатель преломления может быть отрицательным. И не только с точки зрения математики!».
Против здравого смысла
Такой вывод был крайне необычным, поскольку во всех учебниках подразумевалось, что показатель преломления любой среды — это всегда положительная величина. Своими соображениями, которые показались ему очень важными, Виктор поделился с коллегами. Но ученые, загруженные работой, восприняли его выводы как «разминку для ума», абстракцию, которая не имела никакого физического смысла. И тогда Веселаго написал небольшую статью «Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями и µ", где показал, что наличие таких веществ не противоречит никаким законам физики, и описал их необычные свойства. Материалы с отрицательным коэффициентом преломления в статье были названы «левыми», а обычные, с положительным, — «правыми» (по ориентации векторов, характеризующих электромагнитную волну).
«На самом деле мне не первому пришла в голову эта идея, — говорит профессор Веселаго. — Об этом рассуждал еще академик С. Л. Мандельштам, но исключительно в математическом плане. Рассматривал их и Д. В. Сивухин, но в свой знаменитый учебник он эти соображения не включил».
В журнале «Успехи физических наук» (УФН) статью тоже восприняли как гипотетические рассуждения, но тем не менее опубликовали. «Я представил свой доклад на международной конференции в Москве, — вспоминает Виктор Георгиевич, — и получил приглашение выступить по этой теме на нескольких других конференциях — в Италии, Франции и США.
После моих докладов на этих конференциях темой заинтересовались, и я подготовил еще одну статью в сборник. Но высокое начальство ФИАН, узнав об этом, настойчиво порекомендовало мне не заниматься всякой ерундой и не отвлекаться от основной работы в отделе сильных магнитных полей, где мы создавали большую экспериментальную установку «Соленоид». В итоге
От теории к эксперименту
Статья «Экспериментальное подтверждение отрицательного показателя преломления» Дэвида Смита, Шелдона Шульца и Ричарда Шелби, исследователей из Калифорнийского университета в Сан-Диего, вышла в 2001 году в авторитетном журнале Science и произвела в научном сообществе эффект разорвавшейся бомбы. В статье исследователи показали, как, используя проводящие дорожки и незамкнутые катушки-резонаторы для управления электрическими и магнитными свойствами среды, можно сконструировать композиционный материал с отрицательным показателем преломления для длины волны около 3 см. Такие составные материалы, свойства которых определяются не их химическим составом, а структурой, называют метаматериалами. А поскольку экспериментаторы уже во втором абзаце статьи ссылались на ту самую статью 1967 года, это окончательно закрепило приоритет изобретения таких материалов за Виктором Веселаго. Интерес к теме был настолько высок, что эта статья стала самой цитируемой за всю историю журнала УФН, который издается с 1918 года.
А в 2006 году один из авторов первой статьи, Дэвид Смит, к тому времени перешедший в Университет Дюка, вместе со своим коллегой по университету Дэвидом Шуригом и физиком Джоном Пендри из Имперского колледжа в Лондоне, опубликовали в Science статью «Управление электромагнитными полями». В ней они показали кольцевую конструкцию из метаматериала с отрицательным показателем преломления, которая заставляет электромагнитные волны огибать предмет, находящийся в центре. А это не что иное, как шапка-невидимка в самом буквальном смысле этого слова. Правда, пока для сантиметрового диапазона, но ведь это только начало.
Свет, радио, звук, прибой
Технология метаматериалов с отрицательным показателем преломления сейчас очень активно развивается. И не только потому, что это интересная наука, но и потому, что результаты в данной сфере могут привести к интересным решениям в прикладных областях. «Публика ждет шапку-невидимку, военные — идеальный камуфляж и невидимую радаром технику, — говорит Виктор Веселаго. — Но я не думаю, что в ближайшее время стоит ожидать чего-то подобного. Зато уже есть ряд очень интересных разработок в области материалов с отрицательным показателем преломления не для электромагнитных, а для сейсмических волн.
Достаточно построить такую структуру вокруг здания, и волны, порожденные землетрясением, будут огибать его. А ученые из Института Френеля в Марселе и Ливерпульского университета уже несколько лет разрабатывают метаматериалы такого типа, способные защитить прибрежные сооружения от разрушительных приливных, штормовых волн и цунами. И конечно, моя мечта — это материалы с отрицательным показателем преломления для оптического диапазона, которые сделают реальностью суперлинзы для оптических приборов со сверхвысоким разрешением».
«Популярная механика» № 3 за 2015 г
* * *
«Правые» и «левые»
Что мы увидим, если посмотрим на материал с отрицательным показателем преломления. Преломление света — привычное явление, хорошо известное всем, кто хоть раз смотрел на игру солнечных лучей на гладкой поверхности пруда. Но вот эффекты, возникающие в среде с отрицательным показателем преломления («левой» среде), сложно представить — настолько они противоречат общепринятым понятиям о поведении света. Вот некоторые из них.
А. Карандаш, погруженный в воду, кажется внешнему наблюдателю «сломанным» в сторону поверхности раздела сред.
Б. Карандаш в «левой» среде кажется «отраженным» от поверхности раздела сред (рыбки, плавающие в такой среде, будут казаться «парящими» над водой).
А. Луч света при преломлении на границе сред находится по разные стороны нормали.