Невидимость из области фантастики

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Что такое невидимость?
1.Невидимость из области фантастики
2.Научные исследования
2.1 Создание оптического камуфляжа
2.2 Открытие метаматериалов, пригодных для создания невидимости
2.2.1 Материалы с отрицательным показателем преломления
2.2.2 Теория метаматериалов
2.2.3 Создание суперлинзы
2.2.4 Маскирующая зона суперлинз
2.3 Коллекция метаматериалов
2.4 Теория Максвелла
2.5 Как создают метаматериалы? 
2.5.1 На чем базируются необычные свойства метаматериалов?
2.6 Плазмоника
2.7 Невидимость через четвертое измерение
2.8 Революционные возможности метаматериалов
2.9 Будущее метаматериалов
2.10 Галограммы  и невидимость
Выводы
Литература













Введение
Цель: изучить возможность  видимое сделать невидимым.
Актуальность: Созданные в лаборатории рабочие образцы  метаматериалов вызывают живой интерес средств массовой информации, производственников и военных.

     Неви?димость — невозможность по каким-либо причинам полностью или частично регистрировать объект в произвольном диапазоне электромагнитных волн. Для того, чтобы объект был невидимым, он должен удовлетворять следующим трём условиям:
* объект должен быть прозрачен.
* объект должен быть бесцветен (то есть его прозрачность в избранном диапазоне волн должна быть постоянна).
* оптическая плотность объекта в избранном диапазоне волн не должна отличаться от оптической плотности окружающей его среды.
   В бытовом смысле обычно подразумевают оптический диапазон (видимость человеческим зрением). В последнее время появились предпосылки для создания приспособлений (точнее материалов), скрывающих (то есть делающих невидимым) объект, правда пока в узком диапазоне оптических волн. 
1.Невидимость  из области фантастики
     Невидимость давно стала одним из привычных чудес научно-фантастических произведений — от «Человека-невидимки» до волшебного плаща-невидимки Гарри Поттера или кольца из «Властелина колец». Тем не менее на протяжении по крайней мере ста лет физики дружно отрицали возможность создания плащей-невидимок и однозначно заявляли, что это невозможно: плащи нарушают законы оптики и не согласуются ни с одним из известных свойств вещества.
     В сериале «Звездный путь IV: Путешествие домой» экипаж «Энтерпрайза» захватывает боевой крейсер клингонов. В отличие от кораблей Звездного флота Федерации, корабли Клингонской империи оборудованы секретным «маскирующим устройством», способным сделать их невидимыми для глаза и радара. Это устройство позволяет клингонским кораблям заходить незамеченными в хвост кораблям Федерации и безнаказанно наносить первый удар. Благодаря маскирующему устройству Клингонская империя имела перед Федерацией планет стратегическое преимущество.
     Греческий герой Персей, вооружившись шлемом-невидимкой, сумел убить злобную горгону Медузу. Генералы всех времен мечтали о маскирующем устройстве, которое позволило бы стать невидимым для врага. Герберт Уэллс в классическом романе «Человек-невидимка» воплотил в конкретную форму примерно те же идеи. 
     Но сегодня невозможное может стать возможным. Достижения в области метаматериалов заставляют в значительной мере пересмотреть учебники оптики. Созданные в лаборатории рабочие образцы таких материалов вызывают живой интерес средств массовой информации, производственников и военных; всем интересно, как видимое сделать невидимым.
2.Научные исследования
2.1 Создание оптического камуфляжа.
     Состояния невидимости пытаются добиться путем создания оптического камуфляжа. Так, в 2003 году студенты Токийского университета провели эксперимент, совместив камеру и проектор в плаще. Снятое за спиной видео проецируется на грудь, из-за чего носитель плаща становится полупрозрачным. Значительно продвинулись в подобных исследованиях американцы. В 2006 году команда из Школы инженерии Пратта при Университете Дьюка в Северной Каролине сделали невидимым в двух измерениях медный цилиндр, окружив его кольцами из стекловолокна и микроскопической проволоки. В 2008 году группа из Калифорнийского университета Беркли добилась трехмерной невидимости, создав сетку из серебряных микроволокон, не отражающую и не поглощающую световые лучи. В результате глазом воспринимался лишь свет от объектов, находящихся позади закамуфлированного предмета. Подобная технология может в будущем привести к созданию ныне фантастической атрибутики — плащей невидимок. 
2.2  Открытие метаматериалов пригодных для создания невидимости
         Метаматериалы - это вещества, обладающие несуществующими в природе оптическими свойствами. Термин  «метаматериалы» предложили финские учёные лет десять назад. Греческая приставка мета-означает нечто находящееся «над», некую надстройку над чем-то: существует Галактика, а классом выше её—метагалактика.
       Метаматериалов в природе нет, но можно их изготовить и придать им нужные нам свойства. Под метаматериалами понимают любые искусственно создаваемые структуры, с помощью которых можно управлять свойствами вводимых в них электромагнитных волн (в первую очередь света) и других волн, например акустических. Акустические волны — это колебания кристаллической решётки кристалла или перемещение частиц жидкости либо газа. Но по законам распространения они схожи с электромагнитными. Поэтому можно, аналогично фотонным кристаллам, создавать структуры для акустических и вообще любых упругих волн. Квазичастицы упругих волн называются фононами, и кристаллы для управления ими получили название «фононные». Упругие волны можно возбуждать в пьезоэлектриках: воздействие электрического поля вызывает колебания и деформацию пьезокристалла. Этот эффект используют в электронной промышленности для создания гидролокаторов (сонаров), микрофонов, телефонных мембран и пр. 
2.2.1 Материалы с отрицательным показателем преломления
      11 августа 2008 года сразу две группы американских ученых объявили о создании новых материалов с отрицательным показателем преломления. Подобные материалы существовали и ранее, однако они работали только для электромагнитных волн, распространяющихся в определенной плоскости, и узкого диапазона частот. В перспективе подобные материалы могут применяться для создания маскирующих экранов, которые будут делать объекты в определенной зоне невидимыми для стороннего наблюдателя. 
        Отрицательный показатель преломления означает, что свет в материале распространяется особым образом: направление фазовой скорости электромагнитной волны оказывается противоположным направлению ее распространения. Впервые понятие материала с отрицательным показателем преломления появилось в работе советского физика, ныне профессора МФТИ, Виктора Веселаго в 1967 году. Однако тогда эти выкладки посчитали не более чем гипотетическими умозаключениями. Стоит заметить, что это не вина исследователя: в природе до сих пор не обнаружено веществ с отрицательным коэффициентом преломления. Таким образом, результаты Веселаго оказались забыты на сорок лет. 

В эксперименте, использовались призмы из метаматериала и из тефлона (положительный показатель преломления) и было подтверждено явление отрицательного преломления. Тефлон преломлял микроволны под положительным углом (синяя линия), а метаматериал — под отрицательным (красная линия). 

  Частота упругой волны, используемая в устройствах типа мобильных телефонов или FM-приёмников, составляет 1—2 ГГц, а длина волны — от единиц до десятков микрометров. Если создать устройство, формирующее упругую волну путём преобразования дебройлевской волны электронов, то удастся осуществить распространение электромагнитной волны СВЧ-диапазона в очень маленьких кристаллах. Предположим, у нас имеется пьезоэлектрическая пластинка, с помощью которой электромагнитные волны преобразуются в упругие. Если нас интересует, например, гигагерцевый частотный диапазон, то длины электромагнитных волн в нём составят несколько сантиметров. Узнать характеристики распространения такой электромагнитной волны можно только в кристалле размером несколько десятков сантиметров. А преобразовав её в упругую волну той же частоты, но длиной лишь несколько десятков микрометров, можно изучать свойства электромагнитной волны в кристаллике величиной всего лишь миллиметр. Изучив свойства упругой волны, преобразовываем её обратно в электромагнитную. Таким способом можно исследовать свойства как самого кристалла, так и электромагнитной волны, возбуждающей эту упругую волну. Скорости распространения упругих волн в твёрдых телах имеют порядок 105 см/с (мм/мкс), что на пять порядков (в сто тысяч раз) меньше скорости света в твёрдых телах. Возникает замедление электромагнитного сигнала, который пробежал бы это расстояние за наносекунды, а происходящие за микросекунды события изучать легко. На этом принципе работают эффективные линии задержки, фильтры и преобразователи коротких сигналов в радарах, антеннах и других быстродействующих устройствах.
2.2.2 Теория метаматериалов

      В 90-х годах прошлого века с расцветом нанотехнологий расцвела и теория метаматериалов - материалов, свойства которых определяются особенностями конструкции, а не химическим составом. В 2000 году Дэвид Смит из Калифорнийского университета в Сан-Диего показал, что, если материал с определенными свойствами нельзя найти, то его можно создать. 
      Простейшим примером метаматериала служит металлическая сетка. Свойство пропускать свет не зависит от металла, из которого она изготовлена. С этого и начал Дэвид Смит. Он взял листы медной сетки и расположил их в несколько слоев. Он даже не использовал нанотехнологии – размер ячеек был чуть больше 2,5 миллиметра. Выбрав ячейки должным образом, Смит добился того, что этот медный "пирог" стал для электромагнитных волн с частотой 10 гигагерц материалом с отрицательным коэффициентом преломления. 



2.2.3  Создание суперлинзы 

   В этом же году случилось другое важное событие: британский физик Джон Педри теоретически показал, что из материалов с отрицательным коэффициентом преломления (которых, напомним, на момент написания работы открыто еще не было) можно создать суперлинзу. Оптические устройства с положительным показателем преломления ограничены дифракционным пределом — они могут показывать детали, размер которых равен или больше длины волны света, отраженного от объекта. Дифракция накладывает теоретический предел на системы создания изображения. К несчастью, самая короткая длина волны видимого света составляет около 380 нанометров. Это означает, что в обычный оптический микроскоп нельзя рассмотреть атомы (0,1 нанометра), молекулы (0,5 нанометра), вирусы (20-300 нанометров). Чтобы обойти этот предел ученым пришлось создать электронную микроскопию, дифракционную рентгеноскопию и другие сложные и дорогие  технологии.
     Джону Пендри удалось показать, что линза, сделанная из метаматериала с отрицательным коэффициентом преломления, не обладает дифракционным пределом. Это означает, что теоретически представляется возможным создавать оптические микроскопы с недоступным ранее разрешением. На практике эти результаты были подтверждены спустя семь лет, в 2007 году, несколькими независимыми группами исследователей по всему миру. Но оказалось, что и это ещё не все. 
     В 2006 году уже сэр Джон Пендри представил на суд общественности теоретические основы невидимости. В его работе утверждалось, что если объект поместить внутрь специально сконструированной суперлинзы, то для стороннего наблюдателя этот объект станет невидимым. Световые волны, подчиняясь внутренней структуре материала, будут огибать его со всех сторон; правда, в работе отмечалось, что материалов с подобными свойствами в настоящее время не существует. Несмотря на это, Агентство передовых исследований при Министерстве обороны США (DARPA) выделило на научную работу солидный грант. С тех пор группа Пендри сообщила о нескольких существенных результатах: к концу 2009 года они пообещали создать материал, делающий объект невидимым в диапазоне радиочастот, а к 2011 году сделать невидимым танк. 
   
2.2.4 Маскирующая зона суперлинз

     Последнее из ключевых событий случилось в июне 2008 года. Математик Грейм Милтон (Graeme Milton) из Университета Юты обнаружил у некоторых суперлинз маскирующую зону. Оказалось, что объект не надо помещать внутрь линзы, достаточно поставить его рядом. Лучи света, отраженные от объекта, будут скрываться лучами света преломленными линзой. Отраженный свет не будет достигать наблюдателя, и объект будет для него невидим. В этом смысле невидимость Милтона напоминает шапку-невидимку: достаточно одеть ее, и становишься весь невидимым, в то время как невидимость Пендри – это плащ, в который необходимо укутываться. В доказательство работоспособности своей теории американские математики представили компьютерную программу для случая плоских (двумерных) магнитных волн. Как это будет выглядеть в пространстве (трехмерном), ученые не ответили. 
2.3 Коллекция метаматериалаов  
   К августу 2008 года уже набралась достаточно большая коллекция метаматериалов с отрицательным показателем преломления. И вот, наконец, 11 августа на суд научного сообщества были представлены сразу два материала, которые по утверждениям создателей обладают отрицательным показателем преломления для широкого диапазона электромагнитного излучения. В частности, в этот диапазон попадают частоты видимого света. Вообще говоря, это не первый материал с подобными свойствами. В 2007 году исследователи из Принстона представили многослойную конструкцию из серебра и полупроводников, которая также обладала похожими свойствами. Однако она поглощал большую часть излучения, что делало невозможным его применение в оптике. 
     Как утверждают создатели, новые материалы лишены подобных недостатков. Схема первого напоминает принстонский аналог. Сами ученые называют ее "рыболовной сетью". Материал представляет собой несколько чередующихся слоев серебра и фторида магния, в которых проделаны отверстия нанометрового размера. Из полученного материала ученые изготовили призму, для демонстрации оптических эффектов. 
   Вторая группа исследователей использовала пористый оксид алюминия. Внутри полостей при помощи специального процесса ученые вырастили серебряные наноштыри, расположенные очень близко (на расстоянии меньшем длины световой волны) друг к другу. 
   Сами ученые достаточно скептически смотрят на перспективы применения этих материалов для создания плащей-невидимок. Так в телефонном интервью Reuters, один из создателей материала Джейсон Валентин (Jason Valentine) заявил, что людям пока не стоит волноваться по поводу возможного появления плащей-невидимок. Хотя он и отметил, что потенциально новый материал может быть использован для создания невидимости. 
   
   
   
   
2.4 Теория Максвелла
     Максвеллова теория света и атомная теория строения вещества дают оптике и невидимости простое объяснение. В твердом теле атомы плотно упакованы, 
тогда как в жидкости или газе расстояния между молекулами гораздо больше. Большинство твердых тел непрозрачны, так как лучи света не могут пройти через плотный строй атомов, который играет роль кирпичной стены. Многие жидкости и газы, напротив, прозрачны, потому что свету проще пройти между редкими атомами, расстояния между которыми больше, чем длина волны видимого света. К примеру, вода, спирт, аммиак, ацетон, перекись водорода, бензин и другие жидкости прозрачны, как прозрачны и газы, такие как кислород, водород, азот, углекислый газ, метан и т, п. 
       Из этого правила существует несколько важных исключений. Многие кристаллы одновременно твердые и прозрачные. Но атомы в кристалле располагаются в узлах правильной пространственной решетки и образуют регулярные ряды с одинаковыми интервалами между ними. В результате в кристаллической решетке всегда много путей, по которым луч света может пройти сквозь нее. Поэтому, хотя атомы в кристалле упакованы не менее плотно, чем в любом другом твердом теле, свет все же способен проникать сквозь него. 
     При определенных обстоятельствах даже твердый объект со случайно расположенными атомами может стать прозрачным. Такого эффекта для некоторых материалов можно добиться, если нагреть объект до высокой температуры, а затем резко охладить. К примеру, стекло — твердое тело, обладающее из-за случайного расположения атомов многими свойствами жидкости. Некоторые леденцы тоже можно таким образом сделать прозрачными. 
       Очевидно, свойство невидимости возникает на атомном уровне, согласно уравнениям Максвелла, и потому его чрезвычайно трудно, если вообще возможно, воспроизвести обычными методами. Чтобы сделать Гарри Поттера невидимым, его придется перевести в жидкое состояние, вскипятить и превратить в пар, кристаллизовать, нагреть и охладить — согласитесь, любое из этих действий было бы весьма затруднительным даже для волшебника. Это вещества, обладающие несуществующими в природе оптическими свойствами. При создании метаматериалов в вещество внедряются крошечные имплантаты, которые вынуждают электромагнитные волны выбирать нестандартные пути. 

2.5 Как создают метаматериалы ?
     При создании метаматериалов в вещество внедряются крошечные имплантаты, которые вынуждают электромагнитные волны выбирать нестандартные пути. Необычные свойства метаматериалов базируются на их способности управлять параметром, известным как «показатель преломления». Что представляют собой метаматериалы? Это вещества, обладающие несуществующими в природе оптическими свойствами. В Университете Дьюка ученые внедрили в медные ленты, уложенные плоскими концентрическими кругами (все это немного напоминает по конструкции конфорку электроплитки), множество крошечных электрических контуров. Результатом стала сложная структура из керамики, тефлона, композитных волокон и металлических компонентов. Крошечные имплантаты, присутствующие в меди, дают возможность отклонять микроволновое излучение и направлять его по заданному пути. Представьте себе, как река обтекает валун. Вода очень быстро оборачивается вокруг камня, поэтому ниже по течению его присутствие никак не сказывается и выявить его невозможно. Точно так же метаматериалы способны непрерывно изменять маршрут микроволн таким образом, чтобы они обтекали, скажем, некий цилиндр и тем самым делали все внутри этого цилиндра невидимым для радиоволн. Если метаматериал сможет к тому же устранить все отражения и тени, то объект станет полностью невидимым для этой формы излучения.
     Ученые успешно продемонстрировали этот принцип при помощи устройства, состоящего из десяти колец из стекловолокна, покрытых медными элементами. Медное кольцо внутри устройства было почти невидимым для микроволнового излучения; оно лишь отбрасывало слабую тень.
2.5.1 На чем базируются  необычные свойства метаматериалов?
     Необычные свойства метаматериалов базируются на их способности управлять параметром, известным как «показатель преломления». Преломление — свойство света менять направление распространения при прохождении через прозрачный материал. Если опустить руку в воду или просто посмотреть через линзы очков, можно заметить, что вода и стекло отклоняют и искажают ход лучей обычного света.
     Причина отклонения светового луча в стекле или воде состоит в том, что при входе в плотный прозрачный материал свет замедляется. Скорость света в идеальном вакууме постоянна, но в стекле или воде свет «протискивается» через скопление триллионов атомов и потому замедляется. (Отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде называется показателем преломления. Поскольку свет в любой среде замедляется, показатель преломления всегда больше единицы.) К примеру, показатель преломления для вакуума составляет 1,00; для воздуха —1,0003; для стекла—1,5; для бриллианта—2,4. Как правило, чем плотнее среда, тем сильнее она отклоняет луч света и тем больше, соответственно, показатель преломления.
     Очень наглядной демонстрацией явлений, связанных с преломлением, могут послужить миражи. Если вы, проезжая по шоссе в жаркий день, будете смотреть прямо вперед, на горизонт, то дорога местами покажется вам мерцающей и создаст иллюзию сверкающей водной глади. В пустыне иногда можно увидеть на горизонте очертания далеких городов и гор. Происходит это потому, что нагретый над дорожным полотном или песком пустыни воздух имеет более низкую плотность и, соответственно, более низкий показатель преломления, чем окружающий его обычный, более прохладный воздух; поэтому свет от удаленных объектов может испытать преломление в нагретом слое воздуха и попасть после этого в глаз; при этом у вас возникает иллюзия того, что вы действительно видите удаленные объекты.
     Как правило, показатель преломления — величина постоянная. Узкий луч света, проникая в стекло, меняет направление, а затем продолжает двигаться по прямой. Но предположим на мгновение, что мы в состоянии управлять показателем преломления, так чтобы в каждой точке стекла он мог постоянно изменяться заданным образом, Свет, двигаясь в таком новом материале, мог бы произвольным образом менять направление; путь луча в этой среде извивался бы, подобно змее.
     Если бы можно было управлять показателем преломления в метаматериале так, чтобы свет огибал некий объект, то объект этот станет невидимым. Для получения такого эффекта показатель преломления в метаматериале должен быть отрицательным, но в любом учебнике оптики сказано, что это невозможно,
Преломление — свойство света менять направление распространения при прохождении через прозрачный материал.
      В 2006 г. исследователи из Университета Дьюка в Дарэме (штат Северная Каролина) и Имперского колледжа в Лондоне успешно опровергли это общепринятое мнение и при помощи метаматериалов сделали объект невидимым для микроволнового излучения. Препятствий на этом пути пока хватает, но впервые в истории у человечества появилась методика, позволяющая делать обычные объекты невидимыми. 

2.6 Плазмоника 
     Цель плазмоники — таким образом «сжать» свет, чтобы можно было манипулировать объектами в наномасштабе, особенно на поверхности металлов.Поверхностные плазмоны – электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль поверхности металла и экспоненциально спадающие вглубь него. Электромагнитное поле присутствует как в самом металле, так и во внешней диэлектрической среде.
     Причина электропроводности металлов кроется в том, что электроны в атомах металлов слабо связаны с ядром и могут свободно передвигаться вдоль поверхности металлической решетки. Электричество, идущее по проводам у вас дома, представляет собой плавный поток этих слабо связанных электронов по металлической поверхности. Но при определенных условиях, когда луч света сталкивается с металлической поверхностью, электроны могут завибрировать в унисон со светом. При этом на поверхности металла возникают волнообразные движения электронов (эти волны называют плазмонами) в такт с колебаниями электромагнитного поля над металлом. Что еще важнее, эти плазмоны можно «сжать» — при этом они будут иметь ту же частоту, что и первоначальный световой луч (а значит, будут нести ту же информацию), но значительно меньшую длину волны. В принципе затем эти сжатые волны можно втиснуть в нанопроводники. Как и в случае фотонных кристаллов, конечная цель плазмоники — создание компьютерных чипов, в которых работает не электричество, а свет.
     Но чтобы сделать объект невидимым для зеленого света (с длиной волны 500 нм), метаматериал должен иметь внедренные структуры длиной всего около 50 нм. Но нанометры — это уже атомный масштаб, для работы с такими размерами требуются нанотехнологии. (Нанометр — это одна миллиардная часть метра. В одном нанометре может уместиться примерно пять атомов.) Возможно, это ключевая проблема, с которой нам придется столкнуться при создании настоящего плаща-невидимки. Чтобы произвольно искривлять, подобно змее, путь светового луча, нам пришлось бы модифицировать отдельные атомы внутри метаматериала.
     Сразу же после объявления о получении в лаборатории первых метаматериалов в этой области началась лихорадочная активность. Каждые несколько месяцев мы слышим о революционных догадках и поразительных прорывах. Цель ясна: создать при помощи нанотехнологии метаматериалы, способные искривлять не только микроволны, но и видимый свет. Уже предложены несколько подходов, и все они представляются достаточно перспективными.
     Одно из предложений заключается в том, чтобы использовать готовые методы, т. е. позаимствовать для производства метаматериалов отработанные технологии микроэлектронной промышленности. К примеру, в основе миниатюризации компьютеров лежит технология «фотолитографии»; она же служит двигателем компьютерной революции. Эта технология позволяет инженерам размещать на кремниевой подложке размером с ноготь большого пальца сотни миллионов крохотных транзисторов.
     Физики из Калифорнийского технологического института объявили о создании метаматериала, обладающего отрицательным показателем преломления для более сложной сине-зеленой области видимого спектра. Группа из Калифорнийского технологического построила свой метаматериал из двух слоев серебра и азотно-кремниевого изолирующего слоя (толщиной всего 50 нм) между ними. Этот слой действует как «волновод», способный направить плазмонные волны в нужную сторону. Через щель, прорезанную в метаматериале, в устройство проникает лазерный луч; он проходит по волноводу, а затем выходит через вторую щель. Если проанализировать углы, на которые изгибается лазерный луч при прохождении через метаматериал, можно установить, что материал обладает отрицательным показателем преломления для света с данной длиной волны. 
2.7 Невидимость через четвертое измерение 
Вращающаяся модель тессеракта. (четырёхмерный гиперкуб)
     Следует упомянуть еще один, куда более хитрый способ становиться невидимым, изложенный Гербертом Уэллсом в романе «Человек-невидимка». Этот способ предусматривает использование возможностей четвертого измерения. 
     Может ли человек покинуть нашу трехмерную вселенную и парить над ней в четвертом измерении, наблюдая за происходящим со стороны? Подобно трехмерной бабочке, порхающей над двумерным листом бумаги, такой человек был бы невидим для любого обитателя вселенной внизу. Единственная проблема состоит в том, что существование высших измерений до сих пор не доказано. Более того, гипотетическое путешествие в одно из таких измерений потребовало бы намного больше энергии, чем имеется в нашем распоряжении в настоящий момент, при текущем уровне развития техники. Если говорить о реальных способах достижения невидимости, то этот метод, очевидно, лежит далеко за пределами наших сегодняшних знаний и возможностей.
     Учитывая громадные успехи, достигнутые уже на пути к невидимости, мы, я думаю, можем смело классифицировать ее как невозможность I класса. Невидимость того или иного рода может стать обыденной уже в ближайшие несколько десятилетий, в крайнем случае к концу столетия.
2.8  Революционные возможности метаматериалов
     Военные, оказавшись не в состоянии построить невидимые самолеты, попытались проделать более простую вещь: создали технологию «стеле», которая делает самолеты невидимыми для радаров. Технология «стеле», опираясь на уравнения Максвелла, проделывает серию фокусов. Реактивный истребитель «стеле» легко увидеть невооруженным глазом, зато на экране вражеского радара его изображение по размеру примерно соответствует крупной птице. (На самом деле технология «стеле» представляет собой сочетание нескольких совершенно разных фокусов. По возможности материалы конструкции истребителя заменяются на прозрачные для радара: вместо стали используются различные пластики и смолы; изменяются углы фюзеляжа; меняется конструкция сопла двигателя и т.д. В результате всех этих ухищрений можно заставить радарный луч противника, попавший в самолет, рассеиваться во всех направлениях и не возвращаться в приемное устройство. Но даже с применением этой технологии истребитель не становится совершенно невидимым; просто его корпус отклоняет и рассеивает радарный луч настолько, насколько это технически возможно.)
     Возможно, самым многообещающим в плане невидимости из недавних достижений является экзотический новый материал, известный как «метаматериал»; не исключено, что когда-нибудь он сделает объекты на самом деле невидимыми. Забавно, но когда-то существование метаматериалов также считалось невозможным, поскольку они нарушают законы оптики. Натан Мирволд, бывший главный технолог фирмы Microsoft, утверждает, что революционные возможности метаматериалов «полностью изменят наш подход к оптике и к почти всем аспектам электроники... Некоторые из метаматериалов способны на такие подвиги, которые несколько десятилетий назад показалось бы чудом»
 	Мощность компьютеров удваивается каждые 18 месяцев (эту закономерность называют законом Мура). Происходит это благодаря тому, что ученые при помощи ультрафиолетового излучения «вытравливают» на кремниевых чипах все более и более крохотные компоненты. Эта технология очень напоминает процесс, при помощи которого наносят по трафарету рисунок на цветастую футболку. Инженеры-компьютерщики начинают с тонкой подложки, на которую сверху накладываются тончайшие слои различных материалов. Затем подложка накрывается пластиковой маской, работающей как шаблон. На маску заранее наносится сложный рисунок проводников, транзисторов и компьютерных компонентов, составляющих основу принципиальной схемы. Заготовку облучают жестким ультрафиолетом, т. е. подвергают действию ультрафиолетового излучения с очень малой длиной волны; это излучение как бы переносит рисунок матрицы на светочувствительную подложку. Затем заготовку обрабатывают специальными газами и кислотами, и сложная схема матрицы вытравливается на подложке в тех местах, где она подвергалась действию ультрафиолетового излучения. В результате этого процесса получается пластинка с сотнями миллионов крошечных углублений, которые и образуют контуры транзисторов.) В настоящее время самые мелкие компоненты, которые удается создать при помощи описанного процесса, имеют размер около 30 нм (или примерно 150 атомов).
     Физик Костас Сукулис из Лаборатории Эймса и Университета штата Айова вместе со Стефаном Линденом, Мартином Вегенером и Гуннаром Доллингом из Университета Карлсруэ в Германии сумели создать метаматериал с показателем преломления -0,6 для красного света с длиной волны 780 нм. (До этого мировой рекорд длины волны излучения, которое удалось «завернуть» при помощи метаматериала, составлял 1400 нм; это уже не видимый, а инфракрасный свет.)
     Для начала ученые взяли лист стекла и нанесли на него тонкий слой серебра, затем слой фторида магния, затем снова слой серебра; таким образом, был получен «сэндвич» с фторидом толщиной всего 100 нм. После этого ученые при помощи стандартной технологии травления проделали в этом «сэндвиче» множество крохотных квадратных отверстий (шириной всего 100 нм, гораздо меньше длины волны красного света); в результате получилась решетчатая структура, напоминающая рыбацкую сеть. Затем они пропустили через полученный материал луч красного света и измерили показатель преломления, который составил -0,6.
     Авторы предвидят, что изобретенная ими технология найдет широкое применение. Метаматериалы «могут когда-нибудь привести к созданию своего рода плоской суперлинзы, работающей в видимой части спектра, — говорит д-р Сукулис. — Такая линза позволит получать более высокое разрешение по сравнению с традиционной технологией и различать детали, значительно уступающие по размерам длине световой волны». Очевидно, одним из первых приложений «суперлинзы» станет фотографирование микроскопических объектов с беспрецедентной четкостью; речь может идти о фотографировании внутри живой человеческой клетки или о диагностике заболеваний плода в чреве матери. В идеале появится возможность сфотографировать компоненты молекулы ДНК непосредственно, без применения грубых методов рентгеновской кристаллографии.
     Пока ученым удалось продемонстрировать отрицательный показатель преломления только для красного света. Но метод надо развивать, и следующим шагом должно стать создание метаматериала, который мог бы полностью обвести красный луч вокруг объекта, сделав его невидимым для красного света.
     Дальнейшее развитие можно ожидать также в области «фотонных кристаллов». Цель технологии фотонных кристаллов — создать чип, который использовал бы для обработки информации свет, а не электричество. Предполагается применить нанотехнологии для вытравливания на подложке крошечных компонентов — так, чтобы с каждым компонентом изменялся показатель преломления. Транзисторы, в которых работает свет, имеют немало преимуществ перед электронными. К примеру, в фотонных кристаллах значительно меньше тепловые потери. (В сложных кремниевых чипах выделяется столько тепла, что хватило бы поджарить яичницу. Чтобы такие чипы не отказывали, их необходимо непрерывно охлаждать, а это очень дорого.)
     Нет ничего удивительного в том, что технология получения фотонных кристаллов должна идеально подойти для метаматериалов, — ведь обе технологии предполагают манипулирование показателем преломления света на наноуровне.
     Группа из Калифорнийского технологического построила свой метаматериал из двух слоев серебра и азотно-кремниевого изолирующего слоя (толщиной всего 50 нм) между ними. Этот слой действует как «волновод», способный направить плазмонные волны в нужную сторону. Через щель, прорезанную в метаматериале, в устройство проникает лазерный луч; он проходит по волноводу, а затем выходит через вторую щель. Если проанализировать углы, на которые изгибается лазерный луч при прохождении через метаматериал, можно установить, что материал обладает отрицательным показателем преломления для света с данной длиной волны.
2.9  Будущее метаматериалов
     Продвижение в исследовании метаматериалов в будущем будет ускоряться по той простой причине, что уже сейчас интерес к созданию транзисторов, которые работали бы на световом луче вместо электричества, очень велик. Поэтому можно предположить, что исследования в области невидимости смогут «подъехать на попутке», т. е. воспользоваться результатами уже идущих исследований по созданию замены кремниевому чипу при помощи фотонных кристаллов и плазмоники. Уже сегодня в разработку технологии, призванной заменить кремниевые чипы, вкладываются сотни миллионов долларов, а попутно выиграют и исследования в области метаматериалов.
     В настоящее время новые серьезные открытия в этой области совершаются каждые несколько месяцев, поэтому не удивительно, что некоторые физики ожидают появления в лаборатории первых образцов реального щита невидимости уже через несколько десятилетий. Так, ученые уверены в том, что сумеют в ближайшие несколько лет создать метаматериалы, способные сделать объект полностью невидимым, по крайней мере в двух измерениях, для видимого света любой конкретной частоты. Чтобы добиться такого эффекта, необходимо будет внедрить в метаматериал крошечные наноимплантаты не правильными рядами, а по сложному рисунку, так чтобы в результате свет плавно огибал скрываемый объект.
     Далее ученым придется изобрести и создать метаматери.......................