Новая невидимость

Cоздан первый «невидимый материал», который пропускает через себя электромагнитные волны так, как будто они проходят сквозь воздух 10 Март 2016, 07:48
Большая часть современных исследований, направленных на создание плащей невидимок концентрируют свои усилия на попытках заставить свет обтекать объект, который требуется скрыть.

Совместная команда американских и китайских ученых пошла совершенно другим путем: они создали первый «невидимый материал», который пропускает через себя определенные электромагнитные волны так, как будто они проходят сквозь воздух.

Эта технология, к сожалению, не сможет заставить огромный космический корабль или хотя бы мальчика волшебника исчезнуть из виду. Однако она представляет собой огромный прорыв в науке. До этого, исследователи могли сделать невидимыми для определенных электромагнитных волн лишь небольшие крошечные шарики или цилиндры, используя феномен «темного состояния».
Концепция «цифровых метаматериалов» — простой способ создания метаматериалов с фантастическими оптическими свойствами, которые могут ускорить создание плаща-невидимки и суперлинз — говорится в статье, опубликованной в Nature Materials.
Ученые из Массачусетского технологического института и Чжэцзянского университета, расположенного в китайском Гаунчжоу, подняли «темное состояние» на новый уровень: они сумели создать целый лист металлической сетки, который невидим для части электромагнитных сигналов под любым углом. Статья, подробно описывающая их работу, опубликована в онлайн версии журнала Proceedings of the National Academy of Sciences 15 февраля 2016-го года.
Invisible Metallic Mesh - 2016-ye-pnas.pdf
«Я считаю, что это действительно первый случай, когда люди сумели создать невидимый материал» — говорит Линг Лу, физик из Массачусетского технического института. «Несмотря на то, что разработки маскировочных технологий активно велись и раньше, мы крайне довольны тем, что сумели создать однообразный материал, невидимый под любым углом.»
 Линг Лу, физик из Массачусетского технического института
Так в чем же смысл «невидимого» материала, который отлично виден невооруженным глазом? Во-первых, он идеален для обтекателей и защитных куполов антенн и спутниковых тарелок. Они защищают технику не только от различных погодных условий, но еще и от любопытных глаз, если речь идет, например, о государственных зданиях или военных кораблях. Защитные кожухи из подобного «невидимого» материала, теоретически, могут даже пропускать нужные сигналы, блокируя при этом нежелательные.

Кстати, применение этой технологии можно найти в научной фантастике. Фанаты как классических, так и новых фильмов Звездные войны наверняка вспомнят огромные серые сферы на башнях-капитанских мостиках звездных разрушителей, которыми пользовалась как Империя, так и Первый орден. Дарту Вейдеру и Кайло Рену бы точно понравилось.
Также Лу сказал о том, что этот новый материал серьезно упростит разработку антенн. Например, при их создании не надо будет отдельно задумываться о том, как сделать крепление так, чтобы оно не прерывало сигнал. Ученые разработали свою «невидимую» сетку на основе обычной меди, очень доступного металла с массой возможных применений.
«Можно улучшить проводимость тепла и электричества, а также стойкость к механическому воздействию — что крайне важно — не меняя при этом электромагнитных свойств» - говорит Лу. «А можно просто создать невидимую стену, которая будет блокировать все частоты кроме той, на которой ведется связь, например.»
Большую часть финансирования этой исследовательской программы взяли на себя Национальный фонд содействия развитию естественных наук Китая и Фонд постдокториальных научных исследований Китая. 

Однако часть исследователей индивидуально поддерживали как гражданские, так и военные американские организации, среди которых Институт нанотехнологий для солдат армии США(Institute for Soldier Nanotechnologies under the U.S. Army Research Office), Национальный фонд содействия развитию науки США и Массачусетский технологический институт.

 Анимация прохождения электрического поля сквозь прямоугольный объект, состоящий из разработанных проводов с пустотой в форме «invisible material» внутри них, под косым углом на частоте 10 гГц.

Начало исследованиям положил Дексин Йе, инженер-электрик из Чжэцзянского университета, который провел ряд компьютерных симуляций, на основе которых предположил, что материал в форме провода с варьирующейся толщиной может выстроить частоты «темного состояния» в каналы таким образом, чтобы перенести эффекты этого феномена с небольших объектов на предметы практически любого размера и формы.
Основываясь на этой теории, американо-китайская группа исследователей начала экспериментировать с листами из подобного материала. Каждый лист представляет из себя решетку из крошечных медных кубиков с длиной ребра приблизительно 4 мм, связанных друг с другом тонкими квадратными медными прутьями. Эта медная структура с двух сторон покрывается полисульфоном, который выступает как диэлектрик и придает всему материалу некую форму. На данный момент, созданы куски этого материала размером с лист бумаги.
Лабораторные эксперименты показали, что новый материал «невидим» при любом направлении сигнала. Для тестов использовались сигналы на частоте 10,4 гГц, которые часто применяются в астрономии и спутниковой связи.
Грубый расчет невидимости рифленых проводов. (A) Расстояние между узловыми частотами при коэффициентах рассеивания в нулевом и первом случаях по отношению к сканам r2/r1 и d2/d1. (B) Рассчитанные общие ширины рассеивания по отношению к сканам r2/r1 и d2/d1. Мы пришли к выводу, что узловые частоты в нулевом и первом случаях можно всегда заставить пересечься. В результате, общая ширина рассеивания на этой частоте будет существенна уменьшена
Лу и его коллеги считают, что в будущем смогут сделать материал «невидимым» и для более коротких волн, например в терагерцевом диапазоне (часто используемом в сканерах в аэропорту). Эта технология, возможно, может работать даже в спектре, близком к инфракрасному, от которого уже не так далеко до видимого света.