Знание-сила, 2008 № 07 (973)

Поскольку коэффициент преломления характеризует, как меняется направление луча света при переходе из одной среды в другую, то обычно, входя в оптически более плотную среду (где коэффициент преломления больше, чем в предыдущей среде), луч приближается к вертикали. Но, входя в среду с отрицательным коэффициентом преломления, он, напротив, удаляется от вертикали. Поэтому вогнутая линза из «левого» материала собирает свет, а выпуклая, наоборот, его рассеивает. Простая плоская стеклянная пластинка из такого материала способна фокусировать расходящийся пучок света. Изменяется и так называемый эффект Доплера, который обычно состоит в том, что при удалении источника света длина его волны увеличивается, то есть свет «краснеет». В «левых» материалах свет при удалении источника от нас не краснеет, а голубеет.

Дэвид Смит

Меняет свой знак и излучение Черенкова, которое состоит в том, что при движении электрона в плотной среде со скоростью, большей скорости света в этой среде, возникают электромагнитные волны, которые распространяются в узком конусе, направленном вперед по движению электрона (своеобразный световой аналог той ударной звуковой волны, которая возникает в воздухе, когда самолет преодолевает звуковой барьер, то есть начинает двигаться быстрее скорости звука). В «левых» материалах этот конус должен быть направлен назад. А в самой недавней своей статье Веселаго показал также, что в «левых» материалах нарушается и принцип Ферма, согласно которому луч должен идти по кратчайшему оптическому пути.

Продолжая этот теоретический анализ «левых» материалов, британский физик Джон Пендри в 2000 году доказал, что при определенных условиях в «левых» материалах может нарушаться и закон дифракции, и потому световые лучи можно сжимать в гораздо более узкий пучок, чем в обычных материалах. Благодаря этому должно стать возможным раздельное наблюдение более близких точек, чем это разрешает дифракция. Физически это объясняется тем, что при вхождении световой волны в материал она возбуждает его атомы, и они излучают вторичные волны, причем всевозможной длины. Но в обычном материале усиливаются только волны той же длины, что и вошедшая, а все более короткие угасают, пройдя очень малое расстояние. Однако в плоской пластинке из «левого» материале — при ее достаточной тонкости и оптической однородности — эти более короткие волны могут, наоборот, взаимно усиливаться и достигать другого края пластинки. Если бы удалось вывести эти более короткие волны из пластинки без потери энергии и пропустить через обычный микроскоп, то можно было бы разглядеть как раздельные и такие точки, которые находятся на более коротких («сверхдифракционных») расстояниях, соответствующих половине длины этих затухающих волн, более коротких, чем основные.

Долгое время экспериментаторы не знали, как сделать «материал Пендри» и как вывести из него затухающие волны. Скептики начали поговаривать даже, что эти расчеты ошибочны и никаких «суперлинз» создать нельзя. Однако, начиная с работ Элефтериадиса 2001 года, стали появляться сообщения об удачных попытках; затем в 2004 году были созданы первые суперлинзы для микроволнового (дециметрового и сантиметрового) излучения; в 2005 году профессор Шалаев (тоже из лаборатории Смита) показал, как — в принципе — сделать суперлинзу для видимого света; в 2006 году Шуриг применил микроволновые суперлинзы для первого «покрывала невидимости», а в 2007 году Жанг и Смолянинов ухитрились вывести из «материала Пендри» и пропустить через обычный микроскоп также и затухающие лучи видимого света, тем самым перехитрив ограничения дифракции и для этих длин волн.

«Материал Лендри»

Каков же был их «левый» материал? Нет, не думайте, что это был какой-то сплав или хитрое химическое соединение. Поразительный «левый» материал у Ксян Жанга представлял собой искусственный композит, то есть собрание микроэлементов — тончайших (толщиной в 35 нанометров) серебряных пластинок, изогнутых в виде полуколец и собранных в концентрический слой. Рассматриваемый объект находился в центре этого слоя полуколец. У Смолянинова те же полукольца были из полимера и лежали на тончайшей золотой пленке. Точки, подлежащие рассмотрению, были нанесены прямо на внутренний слой полимера и освещались наружным светом. Свет проходил через слои полимера и возбуждал в слое золота так называемые «плазмоны» — особые, идущие по поверхности металла и быстро затухающие электромагнитные импульсы (вроде концентрических волн на воде, расходящихся от брошенного в нее камня). Эти-то плазмоны и создавали увеличенное изображение рассматриваемых точек. (Кстати, «левый» метаматериал в опытах с невидимостью тоже представлял собой аналогичный композит.)

Сложность всех этих устройств вызвана необходимостью сохранить, увеличить и вывести из «суперлинзы» затухающие сверхкороткие волны. Но есть и другие метаматериалы, имеющие другое назначение и соответственно другое устройство. Общим для всех них является то, что их свойства определяются не природой и расположением составляющих их атомов, а характером расположения целых микроскопических элементиков (вроде описанных выше полуколец и слоев), а сами эти свойства оказываются в результате необычными. Например, метаматериалы типа фотонных кристаллов — это периодически уложенные тонкие слои диэлектрика (или металлодиэлектрика), причем период их укладки составляет половину волны видимого света (то есть порядка 200 — 300 нанометров). При такой укладке слои образуют подобие трехмерной периодической решетки, на которой свет претерпевает дифракцию.

При обычной дифракции (на плоской решетке) световые волны рассеиваются во всех направлениях, но в некоторых — где разница хода между ними составляет полволны — гасят друг друга, а в некоторых — где разница хода составляет целую волну — усиливают. Оказывается, в трехмерной решетке дело обстоит иначе: есть такие длины волн — и даже целые группы длин волн, — которые гасят друг друга во всех направлениях. Поэтому, если освещать эти пакеты из периодических слоев диэлектрика любой волной из этой группы, пакеты будут со всех сторон казаться темными на просвет. Физики говорят, что эта группа световых волн образует «запрещенную фотонную зону».

Между прочим, в данном случае существует и природное вещество, которое тоже обладает такими свойствами, — это опал, полудрагоценный камень, состоящий из мельчайших (нанометровых) шариков окиси кремния с примесью молекул воды. Эти шарики в кристалле опала уложены в правильном геометрическом порядке, слой на слой, образуя такую же трехмерную решетку, как метаматериал в фотонном кристалле. В результате световые волны определенных длин (то есть того или иного цвета), пройдя через слои прозрачных шариков опала, гасят друг друга, и опал, освещенный таким цветом, кажется темным. А для другой длины волны эта же решетка дает усиление света, и освещенный этой волной опал сверкает соответствующим ей цветом. Опал — это уникальный природный фотонный кристалл.