Знание-сила, 2008 № 07 (973)

Метаматериалы, применяемые для создания суперлинз и покрытий для невидимости, отличаются от природных материалов тем, что имеют отрицательный показатель преломления. Поэтому они зачастую называются также «левыми материалами» — не в том, конечно, смысле, что они добываются «левым» путем, а в том, что они нарушают обычное для электромагнитных и оптических явлений «правило правой руки». В оптике это правило, наверняка памятное многим еще из школьного курса электромагнетизма, говорит, что направления магнитного и электрического поля световой волны и ее движения расположены так же, как растопыренные большой, указательный и средний пальцы правой руки. Так вот в «левых» метаматериалах эти направления подчиняются противоположному «правилу левой руки». И вызвано это именно тем, что их коэффициент преломления имеет знак минус. В самом деле, когда свет входит из вакуума в вещество, его фазовая скорость (показывающая, сколько пиков синусоиды проходит через данную точку за секунду) уменьшается в n раз (n здесь — это показатель преломления, и если он имеет знак минус, значит, фазовая скорость направлена в противоположную обычной сторону). Поэтому правило правой руки меняется на правило левой руки. Любопытно, что групповая скорость света, то есть поток энергии, направлена по-прежнему, а значит, синусоида волны в «левом» материале как будто бы идет против движения ее энергии!

Как уже сказано, «левые» оптические материалы не существуют в природе, однако многие физики давно, уже с начала ХХ века, задавались вопросом, можно ли изготовить искусственные материалы с такими свойствами. Но основополагающую статью, на которую сейчас ссылаются все, работающие в этой быстро расширяющейся области исследований, опубликовал лишь в 1967 году (в журнале «Успехи физических наук») российский физик Виктор Веселаго. В этой статье он показал, что законы физики в принципе не противоречат существованию материалов с отрицательным коэффициентом преломления. Для этого материал должен обладать отрицательной магнитной проницаемостью и отрицательной диэлектрической постоянной материала (коэффициент преломления связан с этими его физическими характеристиками).

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.