Как стать невидимкой
Профессор Мичиганского технологического университета Елена Семушкина рассказала о том, как сделать подводные лодки невидимыми для радаров и почему стать невидимым для глаза пока невозможно.
- Знаменитый Третий закон Кларка говорит, что любая развитая технология неотличима от магии. Вы занимаетесь областью, к этому особенно близкой, - делаете объекты "невидимыми". Так когда же, наконец, можно будет ощутить долгожданную магию?
Практически хоть сейчас. Надо только помнить, что мы ставим эксперименты на микроволнах (с длиной волны, промежуточной между инфракрасным и радиоизлучением - PublicPost), и глазом их увидеть, конечно, нельзя. Но микроволны можно зарегистрировать антенной - это точно такие же электромагнитные волны, как и видимое излучение.
Сегодня на микроволнах реализовано огромное количество технологий, начиная с радаров и систем связи. И если взять, например, перископ подводной лодки, то можно "надеть" на него наш "плащ-невидимку", наш метаматериал, и для радаров он окажется действительно невидим. Все это реализуемо уже сейчас.
- Помимо микроволн, ваша работа касается невидимости в инфракрасном спектре. Другие группы ориентируются на радиоволны. Почему именно они? И возможно ли проделать то же самое в оптическом, видимом диапазоне, сделав предмет невидимым для глаза?
Все наши эксперименты - это пока что работа по подтверждению концепции, и сделать это намного проще именно в микроволновом диапазоне. Почему? Тут надо немного объяснить про сам подход, во всяком случае, про первый из наших подходов.
Скрывающий "плащ-невидимку" мы делаем из метаматериалов. Необычные свойства метаматериалов задаются не столько их составом, сколько микроскопической структурой. Таких материалов в природе не существует, все они создаются искусственно. Поэтому и такие свойства в природе не встречаются.
Представьте, что метаматериал укрывает объект. Волна обтекает его с двух сторон. При этом, поскольку это именно метаматериал, при прохождении через него свет ведет себя не как в обычном материале. Он не замедляется, а наоборот, ускоряется, его фазовая скорость становится выше скорости света. Поэтому обтекающие объект волны, хотя и идут по более длинной траектории, успевают догнать основной фронт. Это и создает иллюзию, что волна прошла по прямому пути и ничего на этом пути не встретила.
Структурно наш метаматериал представляет собой массив крошечных резонаторов. Они улавливают электромагнитные волны определенной длины, усиливают их и в нужный момент определенным образом передают дальше. И чтобы они действовали так, как нам надо, чтобы нужным образом взаимодействовали с электромагнитной волной, размер резонаторов должен быть сравним с длиной этой волны. Если это видимый диапазон, длина волны которого очень маленькая, то резонаторы требуются нанометровых размеров. Но пока мы остаемся в микроволнах, нам достаточно размера порядка миллиметров.
Понятно, что работать с такими объектами намного проще. Мы можем легко подбирать нужные резонаторы, менять их геометрию, структуру. Их можно, в конце концов, брать руками, а для манипуляции наноструктурами требуются очень сложные устройства. Поэтому мы и работаем на микроволнах.
При этом, поскольку физическая природа электромагнитных волн остается одной и той же, все выводы и расчеты, которые мы получаем для микроволн, прекрасно применимы и в оптическом, видимом диапазоне.
- Получается, вопрос лишь в масштабе? Если мы просто уменьшим размеры резонаторов метаматериала, мы сможем сделаться "невидимыми" и для глаза?
К сожалению, нет. Помимо наноразмеров, есть и другие моменты, затрудняющие переход к видимому свету. Мы получаем свои резонаторы из непроводящих ток диэлектрических материалов, другие исследователи - из металлов. И у тех, и у других имеются свои трудности при взаимодействии с достаточно коротковолновым оптическим излучением: начинаются большие потери, накопленную энергию резонанса сложно удержать и направить в нужном направлении... Чтобы переместиться в оптический диапазон, потребуется добиться резонанса на других физических принципах, а не просто из структуры метаматериала.
Еще одна сложность состоит в том, что все эти резонаторы работают лишь в узких диапазонах, на строго определенных длинах волн. Если мы знаем длину волны, на которой работает радар, то это хорошо. Но если говорить про воспринимаемое глазом излучение, то это целый набор частот, волн разной длины. Мы можем просчитать, как сделать "плащ-невидимку" для красного или зеленого, но для белого, который является комбинацией множества цветов от красного до фиолетового, пока не получается.
В общем, поэтому мы работаем пока на микроволнах. Мы сделали установку с антенной, которая автоматически ведет наблюдения в этом диапазоне и визуализирует все на компьютере. Так что мы можем просто увидеть - как в кино - как волна распространяется и проходит через укрытый "плащом-невидимкой" объект.
Причем размеры этого объекта могут быть вполне заметными: диаметр металлических цилиндров, которые мы скрываем, составляет несколько сантиметров - это вполне сравнимо с тем же перископом.
- Но такой перископ, поскольку микроволны его в результате обходят, в этом диапазоне сам не будет ничего видеть?
Разумеется, если он "невидим" на микроволнах, то и сам в микроволнах "видеть" ничего не сможет. Но это не уменьшает перспектив для практического применения такого метаматериала.
Ведь это может быть не только "невидимость" для подводных лодок, но и просто защита от радиации. Можно укрыться за таким "плащом-невидимкой" и стать для нее практически неуязвимым! Да и микроволны сейчас встречаются на каждом шагу: и в военной технике, и в промышленности, и в связи... По большому счету, невидимость для глаза человека - это просто интересно, но от микроволн больше практической пользы.
- Вы упомянули, что оптические резонаторы - это только один из подходов к "невидимости", который вы разрабатываете. В чем состоят остальные?
Эти подходы основаны на совершенно других принципах. Скажем, второй вариант состоит в том, что мы конструируем "плащ-невидимку" как набор тонких оболочек из разных материалов - не метаматериалов, а самых обычных, таких как керамика. Если мы специальным образом подберем форму и материалы этих оболочек, то мы добьемся "невидимости" уже за счет того, что отражения волны от разных оболочек взаимно уничтожат друг друга.
Это позволяет работать уже в более широком диапазоне длин волн, и, как мы показали в своей последней опубликованной статье, эффективность оказывается даже выше, чем при обычном подходе с метаматериалами.
Хотя надо сказать, что работы в этом направлении делались уже очень давно, еще при первых попытках найти покрытия, делающие объекты невидимыми для радаров. Однако нам впервые удалось теоретически просчитать все для достаточно крупных укрываемых объектов и с использованием именно диэлектриков, которые, в отличие от металлов, не ржавеют и обладают другими полезными преимуществами.
Пока мы продолжаем оценивать, подбирать, какие именно оболочки, из каких материалов, каких форм - позволят добиться максимальной "невидимости". Практически делать такой "плащ-невидимку" мы пока не стали, но в целом все расчеты проведены, и если кто-нибудь захочет, сможет легко его получить.
Остальные два подхода, которые мы пытаемся разрабатывать, основаны на совершенно других принципах. Впрочем, пока они еще далеки от завершения, статьи по ним не опубликованы, так что рассказывать о них было бы преждевременно.
- Напоследок расскажите, пожалуйста, занимается ли кто-нибудь подобными задачами в России?
У меня у самой в России сейчас есть совместный грант с группами из Петербурга - из Физтеха (Физико-технический институт имени А.Иоффе - PublicPost) и из ИТМО (Национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики - PublicPost). Мы работаем по этому гранту с конца ноября и уже готовим совместные публикации. Это не тема "невидимости", но тоже очень интересные исследования свойств метаматериалов, разработки на их основе новых датчиков... Посмотрим, что из этого получится.
Беседовал Роман Фишман, ПабликПост, 19 апреля 2013 года.
- Знаменитый Третий закон Кларка говорит, что любая развитая технология неотличима от магии. Вы занимаетесь областью, к этому особенно близкой, - делаете объекты "невидимыми". Так когда же, наконец, можно будет ощутить долгожданную магию?
Практически хоть сейчас. Надо только помнить, что мы ставим эксперименты на микроволнах (с длиной волны, промежуточной между инфракрасным и радиоизлучением - PublicPost), и глазом их увидеть, конечно, нельзя. Но микроволны можно зарегистрировать антенной - это точно такие же электромагнитные волны, как и видимое излучение.
Сегодня на микроволнах реализовано огромное количество технологий, начиная с радаров и систем связи. И если взять, например, перископ подводной лодки, то можно "надеть" на него наш "плащ-невидимку", наш метаматериал, и для радаров он окажется действительно невидим. Все это реализуемо уже сейчас.
- Помимо микроволн, ваша работа касается невидимости в инфракрасном спектре. Другие группы ориентируются на радиоволны. Почему именно они? И возможно ли проделать то же самое в оптическом, видимом диапазоне, сделав предмет невидимым для глаза?
Все наши эксперименты - это пока что работа по подтверждению концепции, и сделать это намного проще именно в микроволновом диапазоне. Почему? Тут надо немного объяснить про сам подход, во всяком случае, про первый из наших подходов.
Скрывающий "плащ-невидимку" мы делаем из метаматериалов. Необычные свойства метаматериалов задаются не столько их составом, сколько микроскопической структурой. Таких материалов в природе не существует, все они создаются искусственно. Поэтому и такие свойства в природе не встречаются.
Представьте, что метаматериал укрывает объект. Волна обтекает его с двух сторон. При этом, поскольку это именно метаматериал, при прохождении через него свет ведет себя не как в обычном материале. Он не замедляется, а наоборот, ускоряется, его фазовая скорость становится выше скорости света. Поэтому обтекающие объект волны, хотя и идут по более длинной траектории, успевают догнать основной фронт. Это и создает иллюзию, что волна прошла по прямому пути и ничего на этом пути не встретила.
Структурно наш метаматериал представляет собой массив крошечных резонаторов. Они улавливают электромагнитные волны определенной длины, усиливают их и в нужный момент определенным образом передают дальше. И чтобы они действовали так, как нам надо, чтобы нужным образом взаимодействовали с электромагнитной волной, размер резонаторов должен быть сравним с длиной этой волны. Если это видимый диапазон, длина волны которого очень маленькая, то резонаторы требуются нанометровых размеров. Но пока мы остаемся в микроволнах, нам достаточно размера порядка миллиметров.
Понятно, что работать с такими объектами намного проще. Мы можем легко подбирать нужные резонаторы, менять их геометрию, структуру. Их можно, в конце концов, брать руками, а для манипуляции наноструктурами требуются очень сложные устройства. Поэтому мы и работаем на микроволнах.
При этом, поскольку физическая природа электромагнитных волн остается одной и той же, все выводы и расчеты, которые мы получаем для микроволн, прекрасно применимы и в оптическом, видимом диапазоне.
- Получается, вопрос лишь в масштабе? Если мы просто уменьшим размеры резонаторов метаматериала, мы сможем сделаться "невидимыми" и для глаза?
К сожалению, нет. Помимо наноразмеров, есть и другие моменты, затрудняющие переход к видимому свету. Мы получаем свои резонаторы из непроводящих ток диэлектрических материалов, другие исследователи - из металлов. И у тех, и у других имеются свои трудности при взаимодействии с достаточно коротковолновым оптическим излучением: начинаются большие потери, накопленную энергию резонанса сложно удержать и направить в нужном направлении... Чтобы переместиться в оптический диапазон, потребуется добиться резонанса на других физических принципах, а не просто из структуры метаматериала.
Еще одна сложность состоит в том, что все эти резонаторы работают лишь в узких диапазонах, на строго определенных длинах волн. Если мы знаем длину волны, на которой работает радар, то это хорошо. Но если говорить про воспринимаемое глазом излучение, то это целый набор частот, волн разной длины. Мы можем просчитать, как сделать "плащ-невидимку" для красного или зеленого, но для белого, который является комбинацией множества цветов от красного до фиолетового, пока не получается.
В общем, поэтому мы работаем пока на микроволнах. Мы сделали установку с антенной, которая автоматически ведет наблюдения в этом диапазоне и визуализирует все на компьютере. Так что мы можем просто увидеть - как в кино - как волна распространяется и проходит через укрытый "плащом-невидимкой" объект.
Причем размеры этого объекта могут быть вполне заметными: диаметр металлических цилиндров, которые мы скрываем, составляет несколько сантиметров - это вполне сравнимо с тем же перископом.
- Но такой перископ, поскольку микроволны его в результате обходят, в этом диапазоне сам не будет ничего видеть?
Разумеется, если он "невидим" на микроволнах, то и сам в микроволнах "видеть" ничего не сможет. Но это не уменьшает перспектив для практического применения такого метаматериала.
Ведь это может быть не только "невидимость" для подводных лодок, но и просто защита от радиации. Можно укрыться за таким "плащом-невидимкой" и стать для нее практически неуязвимым! Да и микроволны сейчас встречаются на каждом шагу: и в военной технике, и в промышленности, и в связи... По большому счету, невидимость для глаза человека - это просто интересно, но от микроволн больше практической пользы.
- Вы упомянули, что оптические резонаторы - это только один из подходов к "невидимости", который вы разрабатываете. В чем состоят остальные?
Эти подходы основаны на совершенно других принципах. Скажем, второй вариант состоит в том, что мы конструируем "плащ-невидимку" как набор тонких оболочек из разных материалов - не метаматериалов, а самых обычных, таких как керамика. Если мы специальным образом подберем форму и материалы этих оболочек, то мы добьемся "невидимости" уже за счет того, что отражения волны от разных оболочек взаимно уничтожат друг друга.
Это позволяет работать уже в более широком диапазоне длин волн, и, как мы показали в своей последней опубликованной статье, эффективность оказывается даже выше, чем при обычном подходе с метаматериалами.
Хотя надо сказать, что работы в этом направлении делались уже очень давно, еще при первых попытках найти покрытия, делающие объекты невидимыми для радаров. Однако нам впервые удалось теоретически просчитать все для достаточно крупных укрываемых объектов и с использованием именно диэлектриков, которые, в отличие от металлов, не ржавеют и обладают другими полезными преимуществами.
Пока мы продолжаем оценивать, подбирать, какие именно оболочки, из каких материалов, каких форм - позволят добиться максимальной "невидимости". Практически делать такой "плащ-невидимку" мы пока не стали, но в целом все расчеты проведены, и если кто-нибудь захочет, сможет легко его получить.
Остальные два подхода, которые мы пытаемся разрабатывать, основаны на совершенно других принципах. Впрочем, пока они еще далеки от завершения, статьи по ним не опубликованы, так что рассказывать о них было бы преждевременно.
- Напоследок расскажите, пожалуйста, занимается ли кто-нибудь подобными задачами в России?
У меня у самой в России сейчас есть совместный грант с группами из Петербурга - из Физтеха (Физико-технический институт имени А.Иоффе - PublicPost) и из ИТМО (Национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики - PublicPost). Мы работаем по этому гранту с конца ноября и уже готовим совместные публикации. Это не тема "невидимости", но тоже очень интересные исследования свойств метаматериалов, разработки на их основе новых датчиков... Посмотрим, что из этого получится.
Беседовал Роман Фишман, ПабликПост, 19 апреля 2013 года.