Плащи-невидимки: 

От классических методов разработки к «обратному» дизайну 5 Июль 2014, 13:59
В информационном издании China Science, выходящем под эгидой Академии наук и Национального фонда естественных наук Китая, опубликована статья «Плащи-невидимки: от классических методов разработки к “обратному” дизайну», демонстрирующая, что китайские ученые могут не только адаптировать зарубежные технологии для нужд НОАК, но и проводят фундаментальные исследования, способные в будущем поставить на вооружение тактическое снаряжение с фантастическими характеристиками.

Предисловие

В этой публикации рассматриваются методологии проектирования устройств невидимости, экспериментальные разработки в этой области с практической точки зрения, материалы для производства и пилотные испытания. Определенный акцент сделан на переходе от классического дизайна к «обратному», при использовании которого некоторые существенные ограничения предыдущих реализаций могут быть преодолены на практике. Мы считаем, что будущие устройства обеспечения невидимости будут базироваться на интеграции обоих подходов к дизайну — классического и «обратного».

Вступление

Чтобы избежать терминологической путаницы между невидимостью и традиционной «стелс»-технологией, которая разрабатывается уже не первое десятилетие, давайте для начала сформулируем само определение невидимости. Как показано на рис. 1 (а)–(с), когда электромагнитные волны (т.н. волны обнаружения) падают на объект, он может отразить, рассеять или поглотить их, причем любой из этих трех вариантов автоматически демаскирует объект.
Рис. 1 (а)–(с)
И только когда выполняется условие «отражение плюс рассеяние плюс поглощение равны нулю», объект становится невидимым по-настоящему. Другими словами, невидимость требует, чтобы общая эффективная площадь рассеяния (ЭПР) равнялась нулю. (Во избежание путаницы с русскоязычными терминами, практические реализации устройств невидимости, не обеспечивающие 100% эффекта, а лишь снижающие заметность объектов в одном или нескольких диапазонах спектра электромагнитного излучения, далее по тексту именуются маскирующими устройствами — прим. Technowars.)
Ученые приложили выдающиеся усилия, чтобы доказать теоретическую возможность невидимости. В 2006 г. Пендри с коллегами (Pendry J. B., Schurig D., Smith D. R., “Controlling electromagnetic fields”, “Science”, 2006) и Ульф Леонхардт (Ulf Leonhardt) независимо друг от друга предложили свои стратегии для разработки устройств невидимости. Используя метрический инвариант уравнений Максвелла, Пендри и его коллеги предложили создать «дыру» в физическом пространстве методом преобразования сингулярных координат. Стратегия Леонхардта основывалась на комплексной плоскости с правильно подобранными разрезами и римановыми поверхностями. Неевклидовы преобразования позволяют обойти негативные эффекты сверхсветовой скорости распространения электромагнитных волн внутри материала-невидимки, но для этого диэлектрическая проницаемость такого материала должна постоянно изменяться в очень широких пределах.
В отличие от методов достижения невидимости за счет преобразований, Энгета (Engheta N.) и Алу (Alu A.) предприняли попытку достичь невидимости методом компенсации рассеяния. У любого отдельно взятого объекта есть свое значение величины рассея­ния. Если его будет окружать другой объект с комплиментарным значением этого параметра, то суммарное рассеяние обоих объектов скомпенсирует друг друга и состоящая из них система станет невидимой. Этот метод был продемонстрирован экспериментально с использованием материалов с поверхностными плазмонами. Однако нельзя не отметить, что эта стратегия фундаментально ограничена субволновыми масштабами.
Nader Engheta, Electrical and Systems Engineering, University of Pennsylvania, Philadelphia, PA, USA, is the 2015 recipient of the Gold Medal Award in recognition of his transformative and groundbreaking contributions to optical engineering of metamaterials and nanoscale plasmonics, metamaterial-based optical nano circuits, and biologically-inspired optical imaging.
Какая бы стратегия создания невидимости ни использовалась, ключевым моментом является применение материалов со специфическими конструктивными параметрами и коэффициентом преломления. Наиболее подходящие кандидаты на эту роль — метаматериалы, электромагнитные свойства которых могут быть разработаны практически по заказу. Метаматериалы могут быть реализованы как совокупность искусственных «атомов» (атомов не в прямом, а именно в переносном смысле, т. е. очень маленьких физических частиц вещества — прим. Technowars), размер которых и расстояние между которыми в объекте намного меньше, чем длина электромагнитной волны. Эти субволновые повторяющиеся элементы играют ту же роль, что и атомы или молекулы в естественной однородной среде, а совокупность таких искусственных элементов дает макроскопический электромагнитный отклик с необычными свойствами. Именно поэтому метаматериалы могут быть использованы во многих областях, где требуется новаторский подход, включая и технологию обеспечения невидимости. 
Несмотря на то что описанные стратегии сильно отличаются по применяемым средствам и были разработаны практически независимо друг от друга, у них есть одна общая цель — снижение до минимума ЭПР. Стратегию достижения невидимости, описанную выше, в целом можно охарактеризовать как «классический» подход, при котором свойства маскирующего устройства начинают действовать только после того, как завершена сборка всей конструкции. Вот почему разные методики обеспечивают настолько разные устройства с отличающимися друг от друга свойствами. 
В этом обзоре мы сравним экспериментально продемонстрированные маскирующие устройства, основанные на трех методиках: компенсации рассеяния, преобразования сингулярных координат и конформного отображения (отображение одной поверхности на другой, при котором сохраняются углы между линиями, пересекающимися на отображаемой поверхности — прим. Technowars). Кроме этих классических подходов мы также представим недавние разработки, основанные на «обратном дизайне», при котором свойства покрытия предопределены (с должным запасом для оптимизации). Эта интересная дизайн-стратегия может комбинировать технические преимущества большинства классических методов, но при этом также может преодолевать «узкие места» отдельно взятых стратегий.

Рис. 1. На схеме показано, как электромагнитные волны (а) распространяются в свободном пространстве, (b) взаимодействуют с обычным объектом и (c) сталкиваются с объектом, оснащенным устройством невидимости. Если объект не отражает, не рассеивает и не поглощает волны, он невидим. Различные конструкции маскирующих устройств и их экспериментальные демонстрации: (d) первая экспериментальная демонстрация цилиндрического маскирующего устройства с использованием метаматериалов типа SRR (Split-Ring-Resonator, резонатор с разомкнутым кольцом); (e) безмагнитное цилиндрическое маскирующее устройство из метаматериалов; (f) однонаправленное полнопараметрическое маскирующее устройство в обычной среде; (g) широкополосное полигональное маскирующее устройство для видимого диапазона электромагнитного излучения; (h) маскирующее устройство для магнитной составляющей поля постоянного тока; (i) маскирующее устройство для электрической составляющей поля постоянного тока.

Классический подход к разработке устройств невидимости и его экспериментальные проверки

Метод преобразования координат

В электромагнитном поле векторы напряженности и ключевые параметры поля, изменяющиеся в пространстве, имеют взаимно-однозначное соответствие. Если мы трансформируем оригинальные координаты в новые, в силу инвариантности уравнений Максвелла этими ключевыми параметрами станут тензоры, соотнесенные с формулами преобразования. Оригинальное пространство и пространство преобразованных координат — тождественны для электромагнитных волн. Но если мы создадим физическую оболочку, которая будет преобразовывать ключевые параметры электромагнитного поля, лучи света, падающие на такое укрытие, будут «огибать дыру» внутри него. Следовательно, «дыра» станет невидимой вне зависимости от своего содержимого.

Новаторская работа Пендри и его коллег тео­ретически доказала возможность идеальной невидимости для произвольных объектов. Как показано на рис. 1 (d), группа Смита (Smith D. R.) продемонстрировала первое цилиндрическое маскирующее устройство, сделанное по этой технологии, которое было реализовано на метаматериалах с элементами SRR (резонаторы с разомкнутыми кольцами). Измерение этого цилиндрического маскирующего устройства показывает снижение ЭПР на 24%. Несмотря на то что в теории устройство, основанное на трансформационной оптике, может обеспечивать идеальную невидимость, на практике добиться этого идеала совсем непросто. Вот почему вычленение и упрощение определяющих параметров (в данном контексте «определяющий параметр» означает такой параметр системы, изменение которого приведет к ее неработоспособности — прим. Technowars) так важно в производстве невидимых покрытий.

Дисперсия и потери материала (имеются в виду потери при прохождении электромагнитной волны, т. е. частичное поглощение — прим. Technowars), из которого сделано покрытие, также ограничивают производительность и рабочий диапазон электромагнитных волн такого маскирующего устройства. Аналогичное конструкции группы Смита немагнитное цилиндрическое маскирующее устройство было также выполнено из метаматериалов и продемонстрировано Канте и коллегами (рис. 1 (e)). В 2012 г. группа Смита доработала свою конструкцию и представила первое в мире идеальное полнопараметрическое маскирующее устройство для работы в обычной среде (рис. 1 (f)). В том же году первое широкополосное обособленное полигональное маскирующее устройство для видимого света было представлено нашей исследовательской группой (Chen H., Zheng B., “Broadband polygonal invisibility cloak for visible light”, “Sci Rep”).

Как показано на рис. 1 (g), это несложное устройство изготовлено из отдельных кусков материалов с естественной анизотропией, электромагнитные параметры которых рассчитаны методом однородного линейного преобразования. Необходимо подчеркнуть, что покрытие, выполненное по методу преобразования сингулярных координат, в основе своей — узкополосное, потому что скорость распространения электромагнитных волн внутри такого покрытия превышает скорость света в вакууме. Тем не менее не все сферы практического применения предъявляют требования к широкополосности (как пример — невидимость в статических электромагнитных полях). Недавние разработки, основанные на методе преобразования сингулярных координат, — маскирующее устройство для магнитной составляющей поля постоянного тока (рис. 1 (h)) и маскирующее устройство для электрической составляющей поля постоянного тока (рис. 1 (i)) — были продемонстрированы Нараяной (Narayana S.) и его коллегами из Гарвардского университета и группой Куи (Cui T. J.) из Юго-Восточного университета соответственно. Чуть позже группа Куи также предложила две другие версии маскирующих устройств такого типа, например устройство для маскировки от постоянного тока (смысл работы последнего заключается в том, что, к примеру, замаскированный с его помощью металлический объект в электрическом поле постоянного тока будет восприниматься устройством-детектором как диэлектрик — прим. Technowars) и внешнее покрытие с отрицательным сопротивлением.


Крадущийся танк, затаившийся небоскреб

В настоящее время продолжаются разработки маскировки различных объектов с помощью традиционных технологий — например, массива видеокамер и видеоэкранов. Один из примеров такого решения — «исчезающий» южнокорейский небоскреб Tower Infinity высотой 450 м: 16 камер, установленных на трех различных уровнях с одной его стороны, будут выводить изображение на специальные экраны из 1500 светодиодных полос с противоположной стороны (см. Technowars #10/2013).

Эффект рассчитан на пешеходов и проявится в ограниченном диапазоне ракурсов обзора здания. К тому же такая маскировка возможна только в вечерние часы, так как днем солнце засвечивает изображения на экранах. Найти применение такой технологии в оборонной промышленности представляется затруднительным.

Гораздо более эффективным является решение по тепловой маскировке бронетехники, предложенное инженерами компании BAE Systems. В современной боевой технике все большее распространение получает обнаружение целей с помощью тепловизоров. Борта экспериментального танка на базе бронемашины Combat Vehicle 90 покрыты массивом из шестиугольных пластин размером 14 см — элементов Пельтье, способных мгновенно нагреваться или остывать с разных сторон про протекании электрического тока в разных направлениях. Такие элементы широко используются для охлаждения сенсоров астрофотокамер и ИК-датчиков, хотя и обладают невысоким КПД (5–6%). При этом подобный экран сможет как сделать танк невидимым в инфракрасном диапазоне, адаптивно понижая температуру пластин в соответствии с тепловой картиной окружающей местности и сливаясь с ней, так и сымитировать тепловую сигнатуру других объеков — например, фермерского трактора, легкового автомобиля или крупного камня. 
В отличие от цилиндрических маскирующих устройств, недавние разработки плоских маскирующих покрытий могут преодолеть ограничения по ширине рабочего диапазона электромагнитного излучения посредством плоской токопроводящей подложки. Этот тип маскирующих покрытий (т. н. маскирующих покрытий с проводящей подложкой) имеет более простые определяющие параметры в сравнении с цилиндрическими маскирующими устройствами. По этой причине маскирующие покрытия были изучены и экспериментально проверены многими исследовательскими группами в диапазонах от микроволн до оптического диапазона. Для упрощения производства в конструкции маскирующих покрытий часто используется квазиконформное отображение (Quasi-ConformalMapping, QCM), рис. 2 (a)–(g). 
Рис. 2. Невидимые покрытия и их экспериментальные демонстрации. Маскирующие покрытия на основе квазиконформного отображения: (a) первая экспериментальная демонстрация маркирующего покрытия; (b), (c) маскирующее 2D-покрытие для инфракрасного диапазона; (d) маскирующее 3D-покрытие для СВЧ-диапазона; (e), (f) маскирующее 3D-покрытие для оптического диапазона; (g) маскирующее покрытие для терагерцевого диапазона. Маскирующие покрытия на основе трансформационной оптики: (h) маскирующее покрытие с однородной кремниевой решеткой [61]; (i), (j) маскирующее покрытие оптического диапазона из обычных (т.е. не мета- — прим. Technowars) материалов.
Однако ячейки, которые получаются при помощи QCM, не идеально квадратные и, как следствие, требуемая согласно методу преобразования изотропия (одинаковость физических свойств во всех направлениях, противоположность анизотропии — прим. Technowars) выполняется не в полной мере. Поэтому виртуальное пространство, создаваемое маскирующим покрытием без анизотропных свойств, тоньше и шире, чем должно быть, что приводит к поперечному сдвигу рассеиваемых волн. Недавние теоретические работы показывают, что маскирующие покрытия на основе QCM все-таки могут быть обнаружены способом поперечного сдвига рассеи­ваемой волны. Определяющие параметры устройств с анизотропными материалами позволяют создавать маскирующие покрытия без эффекта поперечного сдвига рассеиваемой волны. Как показано на рис. 2 (h), Чжан (Zhang B.) в сотрудничестве с коллегами из Технического университета Дании (Technical University of Denmark) адаптировал покрытие с однородной кремниевой решеткой к своей разработке маскирующего покрытия для инфракрасного диапазона, чтобы соблюсти требования к анизотропному параметру по методу преобразования. Используя аналогичный метод, группа Фэна (Feng Y. J.) из Наньянского университета (Nanjing University) представила свое маскирующее покрытие без поперечного сдвига рассеивающей волны для микроволнового диапазона. Две независимые группы — одна из Бирмингема и Имперского колледжа Лондона (Imperial College), а вторая из совместного научно-технического альянса Сингапур–МТИ (Singapore and MIT Alliance for Research and Technology) — адаптировали материалы с обычными оптическими свойствами к разработке маскирующего покрытия для оптического диапазона (рис. 2 (i) и (j)). Согласно их публикации, кальцит (известковый шпат) с одноосным тензором диэлектрической проницаемости удовлетворяет требованиям создания маскирующей оболочки и может решить проблему поперечного сдвига рассеиваемых волн. Их работа также показывает, что маскирующее покрытие может быть создано и без использования метаматериалов (известковый шпат — одна из природных форм карбоната кальция, очень широко распространен на поверхности Земли, является породообразующим минералом — прим. Technowars).
.

Метод конформного отображения

Независимо от сингулярной трансформационной оптики Пендри, Ульф Леонхардт представил свой способ разработки среды, которая позволяет создать идеальную невидимость в рамках точности геометрической оптики. Он применил свое преобразование комплексной плоскости с правильно подобранными разрезами и римановыми поверхностями. В этом подходе принимается во внимание только коэффициент преломления, поэтому для создания маскировочного покрытия можно использовать материалы с изотропными свойствами. Поскольку преобразования не сингулярны, требования к параметрам материалов менее жесткие, что и отличает этот способ от предложенного Пендри. Другое отличие заключается в том, что метод Ульфа испытывает трудности с отображением комплексных поверхностей в 3D-пространстве. Недавние исследования Ульфа в области неевклидовых преобразований демонстрируют принципиальную возможность «затормозить» электромагнитные волны в маскировочном устройстве ниже сверхсветовой скорости (в частности, работа Perczel J., Tyc T., Leonhardt U., “Invisibility cloaking without superluminal propagation”, “New J. Phys.”, 2011;
Conventional cloaking based on Euclidean transformation optics requires that the speed of light should tend to infinity on the inner surface of the cloak. Non-Euclidean cloaking still needs media with..

Независимо от сингулярной трансформационной оптики Пендри, Ульф Леонхардт представил свой способ разработки среды, которая позволяет создать идеальную невидимость в рамках точности геометрической оптики. Он применил свое преобразование комплексной плоскости с правильно подобранными разрезами и римановыми поверхностями. В этом подходе принимается во внимание только коэффициент преломления, поэтому для создания маскировочного покрытия можно использовать материалы с изотропными свойствами.

Поскольку преобразования не сингулярны, требования к параметрам материалов менее жесткие, что и отличает этот способ от предложенного Пендри. Другое отличие заключается в том, что метод Ульфа испытывает трудности с отображением комплексных поверхностей в 3D-пространстве. Недавние исследования Ульфа в области неевклидовых преобразований демонстрируют принципиальную возможность «затормозить» электромагнитные волны в маскировочном устройстве ниже сверхсветовой скорости (в частности, работа Perczel J., Tyc T., Leonhardt U., “
Invisibility cloaking without superluminal propagation”, “New J. Phys.”, 2011; в предыдущих работах по евклидовым моделям невидимости допускалось, что фазовая скорость света внутри устройства стремится к бесконечности — прим. Technowars).

Строго говоря, метод неевклидовых преобразований не имеет отношения к конформному отображению, но он все еще использует разрезы на комплексной плоскости. Компромисс для снижения скорости прохождения волн ниже сверхсветового барьера заключается в необходимости изменять диэлектрическую проницаемость материала в широких пределах. Так, относительная диэлектрическая проницаемость в маскировочном материале должна меняться в пределах от 1 до 2022,12, что затруднительно осуществить на практике. В силу вышеописанных трудностей практическая реализация маскировочного покрытия с конформным отображением пока еще не создана. C другой стороны, при использовании метода конформного отображения можно пренебречь свойством магнитной проницаемости, а действие маскировочного материала не зависит от поляризации падающих волн. Эти два свойства — уникальные преимущества данного метода в сравнении с другими стратегиями достижения невидимости, и благодаря им в будущем весьма вероятно появление устройств настоящей невидимости именно на основе такого подхода.


Метод компенсации рассеяния 

Как показано на схеме (рис. 3 (a)), оболочка с плазмонами и со свойством отрицательной диэлектрической проницаемости может прекратить рассеяние от объекта со свойством электрического диполя. При правильном подборе изотропных метаматериалов с поверхностными плазмонами такие оболочки могут индуцировать существенное снижение ЭПР, делая объект почти невидимым в области его плазменного резонанса. В этом методе учитывается отражение волн от границ и для создания маскировочного устройства можно использовать только изотропные и однородные материалы. Это два значимых преимущества в сравнении с маскировочными устройствами, создаваемыми по методу преобразования сингулярных координат. В последние годы эта стратегия получила дальнейшее развитие. Например, появились методы дизайна для мультидиапазонных маскировочных устройств, невидимый сенсор, маскировочная мантия и PT-метаматериалы (parity-time metamaterials, метаматериалы с нарушением зеркально-временной симметрии — прим. Technowars). Более того, некоторые интересные феномены, вызванные компенсацией рассеяния, обсуждаются теоретиками: маскировочные/антимаскировочные взаимодействия, оптическая коммутация и оптическая разметка.

Рис. 3. Теоретическая модель компенсации рассеяния; (b) первая экспериментальная демонстрация маскировки с использованием поверхностных плазмонов; (c) маскировочное покрытие с плазмонами, работающее с боковым освещением; (d) маскировочный кожух для микроволнового диапазона.
Некоторые разработки маскировочных устройств на основе поверхностных плазмонов уже созданы в виде прототипов (рис. 3 (b)–(d)). Маскировочное устройство на рис. 3 (b) — первое в мире экспериментальное устройство с использованием поверхностных плазмонов (Edwards B., Alu A., Silveirinha M., “Experimental verification of plasmonic cloaking at microwave frequencies with metamaterials”, “Phys. Rev. Lett.”, 2009), а устройство, показанное на рис. 3 (c), способно спрятать диэлектрик цилиндрической формы под непрямым освещением и, соответственно, может рассматриваться как автономное маскировочное устройство почти с полной трехмерностью. Совсем недавно была экспериментально создана и маскировочная мантия (рис. 3 (d)). Однако этот метод применим только к специфичным диэлектрикам и вряд ли сможет спрятать объект, размеры которого больше длины волны, так как обеспечение компенсации более сильного дипольного момента системы значительно усложняет выполнение устройства.

Обратный дизайн устройств невидимости и его экспериментальные воплощения

Несмотря на то что вышеупомянутые стратегии значительно отличаются по применяемым средствам и были разработаны практически независимо друг от друга, у них есть одна общая цель — снижение ЭПР системы «объект–маскировочное устройство». Поэтому предыдущие стратегии обеспечения невидимости можно охарактеризовать как методы, решающие задачи электромагнетизма классическим способом, при котором маскировочные свойства начинают проявляться только после окончательной сборки системы. Вот почему разные стратегии дают столь разные маскировочные устройства с различающимися свойствами. Выше мы предлагали альтернативную стратегию достижения невидимости, которая очень серьезно отличается от обсуждавшейся в предыдущих разделах. Наша стратегия с практической точки зрения предлагает обратный, ориентированный на результат взгляд на проблему и продвигает технологию создания невидимых устройств еще дальше к практической реализации. Из опыта исследователей-первопроходцев мы сделали следующие выводы: во-первых, главная задача «рецепта» невидимости состоит в минимизации ЭПР (Алу и Энгета); во-вторых, анизотропные материалы гарантируют «рецепт» создания устройства без нарушения теоремы однозначности для обратных преобразований (Пендри и коллеги); в-третьих, распространение электромагнитных волн с досветовой скоростью обеспечивает сравнительно более широкий частотный диапазон работы маскировочного устройства (Леонхардт и коллеги). Такая стратегия обеспечения невидимости, в конечном счете, может обеспечить потенциал для создания полноразмерного автономного «плаща-невидимки» в обычной среде с относительно широким рабочим частотным диапазоном, при условии что все описанные технологические преимущества будут собраны в одном дизайн-подходе.
Рис. 4. Аналитическая модель (a) оптимизационного метода на основе генетического алгоритма и его экспериментальная организация; фотографии маскировочного устройства субволнового (b) и одноволнового (c) масштаба; снижение ЭПР маскировочным устройством при расчетном моделировании (непрерывная линия) и в реальном эксперименте (пунктирная линия) для маскировочного устройства субволнового (d) и одноволнового (e) масштаба.
Мы начали с модели маскировочного устройства в виде многослойного цилиндра (рис. 4 (a)). Следуя концепции компенсации рассеяния, мы применили аналитическую модель рассеяния Ми (имеется в виду немецкий физик Густав Ми (Gustav Mie), работавший в начале XX века над рассеянием электромагнитных волн на однородных диэлектрических сферах — прим. Technowars) совместно с генетическим алгоритмом, основанным на оптимизации, для минимизирования рассеяния от маскировочного покрытия. Роль «хромосом» в оптимизации играл набор определяющих анизотропных параметров для каждого слоя и для покрытия по внешнему радиусу. Из практических соображений мы также задали ограничения по требуемым материалам с анизотропными свойствами, частотному диапазону и досветовой скорости распространения волн.

Исходя из этих вводных, нам удалось получить две практические реализации. Первая — устройство субволнового масштаба с одним-единственным слоем маскирующего материала с определяющими параметрами (рис. 4 (b)), вторая — многослойное цилиндрическое маскировочное устройство масштаба длины волны (рис. 4 (c)), которое может спрятать сравнительно большой цилиндр из сверхпроводникового материала. Предыдущие публикации об экспериментальных реализациях и теоретические работы уже показали, что дисперсия и потери материала будут снижать эффективность маскировки. Однако мы предлагаем для разработки маскировочного устройства применять метаматериал с малыми потерями и дисперсией. Исходя из этих соображений, для своего устройства мы использовали элементы типа «замкнутое кольцо» (CR, ClosedRing), которые представляют собой разновидность элементов без резонанса и позволяют получить метаматериал практически без дисперсии и потерь. Более того, результаты эксперимента показали, что эффективный показатель преломления для CR-элементов в каждом из направлений больше, чем суммарный показатель преломления для всей сборки, что позволяет избавиться от феномена сверхсветового распространения волн в материале. На основе теоретических и практических данных (рис. 4 (d) и (e)) мы вычислили бистатический разностный показатель ЭПР для всех направлений и эффективное сечение рассеяния для обоих случаев, полученные данные показали, что маскировка осуществляется в сравнительно широком диапазоне длин волн. Благодаря уникальному преимуществу досветовой скорости распространения волн можно, в конечном счете, экстраполировать этот дизайн-подход для создания широкополосного маскировочного устройства для большого объекта в обычной среде.


Рис. 5. Фотография маскировочного устройства (a), выполненного по технологии обратного дизайна, от группы Смита; (b) расчетное распространение электрического поля в одно-диэлектрическом маскировочном устройстве на частоте 10 ГГц. Экспериментальные результаты для (c) пространственно-усредненного поля рассеяния в зоне Френеля (область при дифракции Френеля, которая, по законам геометрической оптики, должна быть затемнена, но за счет явления дифракции является частично освещенной — прим. Technowars) и (d) дальнего поля маскировочной системы на разных частотах.
Совсем недавно группа Смита сообщила об экспериментальной демонстрации маскировочного устройства, созданного по технологии обратного дизайна. Ряд критичных для настоящего устройства невидимости свойств (таких, как низкое рассеяние, размер объекта, досветовая скорость распространения волн и особые свойства материала) был воплощен в оптимизированной версии за одну стадию по принципу подбора нужной формы и топологии. Затем ученые разработали разнонаправленное устройство невидимости, которое может спрятать объект диаметром в 6 длин волны, как показано на рис. 5. Использование 3D-печати и полимера с низким коэффициентом потерь (ε=2,45) для создания маскирующего слоя наводит на мысли о том, что при этой методологии потери и дисперсию материала можно снизить до пренебрежимо малых величин, а сама стратегия применима для более высокой частотной полосы, включая видимый свет.

Два предыдущих примера обратного дизайна (диэлектрическое покрытие группы Смита и наше маскировочное устройство) демонстрируют, что обратный дизайн устройств невидимости может предопределить свойства маскировочного покрытия с хорошим запасом для дальнейшей доводки технологии, в то время как классический подход работает только при полном сборе конструкции. За счет целе-ориентированного подхода можно скомбинировать все важные свойства (ширину рабочего диапазона, досветовую скорость распространения волн, большой масштаб, анизотропный маскирующий слой и концепцию компенсации рассеяния) вместе. Объединенные концепцией обратного дизайна свойства, вполне возможно, могут открыть новые перспективы для нынешней технологии маскировки.

Кроме этих двух экспериментальных демонстраций, из обратного дизайна следуют некоторые теоретические выводы. Три независимых способа, предложенные университетом Дьюка, Наньянским университетом и объединенной группой Технического университета Дании и Имперского колледжа Лондона, положили начало оптимизации дискретных приближений параметров, полученных от классических исследовательских методов (т. е. методов трансформационной оптики), в то время как в другой публикации (Wang X. H., Semouchkina E., “A route for efficient non-resonance cloaking by using multilayer dielectric coating”, “Appl.Phys. Lett.”, 2013) Ван и Семочкина предложили решение уравнения Гельмгольца как функции соответствия. С использованием соответствующих алгоритмов оптимизации и некоторых ограничений все эти работы преследуют одну цель — уменьшение рассеяния. Эти теоретические подходы показывают, что разработка невидимости может начинаться по классическому методу, а затем оптимизироваться методом обратного дизайна.

Сложности и возможности

Несмотря на то что возможность маскировки и невидимости доказана теоретически, нынешние стратегии маскировки сталкиваются с серьезными «бутылочными горлышками», т. е. узкими местами в технологиях, которые необходимо преодолеть для дальнейшего прогресса в этой области. Например, метод преобразования сингулярных координат ограничен за счет сверхсветовой скорости распространения электромагнитных волн в объекте и метаматериалах с большими потерями и дисперсией. Однако он все еще остается весьма многообещающим в плане создания идеального маскирующего устройства с широким частотным рабочим диапазоном, если удастся найти правильные функции преобразования и подходящие маскировочные материалы. Касательно двух других стратегий: метод конформного отображения ограничен комплексными параметрами и сложностью производства для трехмерных решений, тогда как метод компенсации рассеяния применим только для объектов субволнового масштаба.

Главные трудности для реального применения устройств невидимости — ограничения по ширине рабочего диапазона излучения и чувствительность к поляризации; обе эти проблемы еще предстоит решить. Например, в конструкции коротковолнового радара трансмиттер излучает порции волн с круговой поляризацией в определенные отрезки времени. Маскировка объекта от обнаружения требует как независимости от поляризации, так и способности работы в широком диапазоне. Недавно были сделаны новаторские шаги в неевклидовых преобразованиях и обратном дизайне устройств невидимости, которые могут помочь преодолеть ограничения, накладываемые феноменом сверхсветового распространения волн. Некоторые виды нерезонансных метаматериалов и обычных материалов (например, кальцит) позволяют предположить принципиальную возможность создания автономного широкополосного устройства невидимости. Преодоление ограничений по поляризации займет долгое время, но пока эта проблема считается принципиально реализуемой на практике в отдаленном будущем.

В заключение, мы хотим отдельно обратить ваше внимание на экспериментальные демонстрации маскировочных устройств на основе решения «классических проблем», а именно компенсации рассеяния и трансформационной оптике. Следующий важный момент — применение нами альтернативной стратегии достижения невидимости, основанной на концепции «обратных проблем» электромагнетизма. Свойства маскировки предопределены, но остается запас для оптимизации, что в комбинации с техническими преимуществами всех основных маскировочных методов позволяет преодолеть узкие места каждой отдельной технологии. В будущем стратегии создания маскировочных устройств могут начинаться как разработка по традиционным научным принципам, а затем оптимизироваться по методу обратного дизайна. Комбинация обоих методов — более реалистичный способ создания настоящего устройства невидимости, нежели каждая стратегия в отдельности.

В настоящее время исследования, связанные с темой невидимости и маскировки, затрагивают многие смежные области, такие как суперрассеиватели, разработка оптических схем, применение поверхностных плазмонов и оптоволоконные технологии. Вполне вероятно, что все большее и большее число инженеров и ученых из разных исследовательских областей и промышленных отраслей будут подключаться к разработке технологий невидимости.