Шапка-невидимка впервые скрыла от человека крупный объект
Учёные впервые сделали невидимым объект, который можно разглядеть невооружённым глазом: речь о миллиметрах и даже сантиметрах. Прежние эксперименты ограничивались нано- и микромасштабом либо заставляли исчезать предметы лишь в части видимого диапазона.
На этот раз две независимые группы исследователей из Великобритании, Дании, Сингапура и США рапортуют о том, что при помощи природного вещества им удалось спрятать от человеческого глаза трёхмерные объекты, размеры которых на три-четыре порядка больше длины волны видимого света.
Ранее световые волны запутывали сложными конструкциями. Теперь учёным не пришлось городить огород из наноразмерных слоёв, использовать сфокусированный ионный пучок, электронно-лучевую или многофотонную литографию, то есть прибегать к процессам, которые отнимают массу времени и делают конечный продукт дорогостоящим.
На этом рисунке показан ход луча при отражении от (a) плоской поверхности, (b) клина – меняется угол, (с) отражающей поверхности, расположенной поверх клина, – меняется расстояние, (d) "шапки-невидимки", покрывающей клин, – угол и расстояние те же, возникает иллюзия (иллюстрация Baile Zhang et al.).
В нынешних работах объект и прячущая его "шапка-невидимка" не являются единой структурой, что позволяет в любой момент отделить "волшебный" материал и прикрыть им другой сопоставимый по форме объект. Преимущества такого подхода очевидны.
Двоякопреломляющие (
Героями обеих работ стали кристаллы кальцита. Учёные склеили между собой два куска прозрачного минерала, чтобы скорректировать ход светового луча как на входе, так и на выходе. В обоих случаях под кристаллом прятали похожий на двойной клин объект.
Первой группой физиков руководил Шуан Чжан (
Сначала учёные
Чтобы лучше понять, что происходит с лазерными лучами, исследователи поставили на их пути маску в виде стрелки (иллюстрация и фото Shuang Zhang et al.).
В эксперименте на пути лазерного луча поставили линейный поляризатор, который пропускал либо поперечные электрические (TE), либо поперечные магнитные (TM) волны. Первые были своего рода контрольной группой, которая показывала картинку, формирующуюся в отсутствие эффекта скрытия.
На слайде b (картинка выше) показано отражение луча от обычного плоского зеркала (как эталон). Как и положено, стрелка перевернулась в другую сторону.
Так как нижняя поверхность призмы из кристаллов представляет собой две плоскости, расходящиеся примерно на 10°, TE-поляризованный луч, отражаясь от обеих, расходится на два пучка. В результате на экране, удалённом от "шапки-невидимки" на 18 сантиметров, отпечатываются две половинки стрелки, разнесённые в пространстве на довольно большое расстояние. Это хорошо видно на слайде c.
В это же время TM-поляризованный луч проходит через призму как ни в чём не бывало, будто отражается от её плоского основания (слайд d). Небольшая тонкая полоска посередине – результат рассеяния света на вершине треугольного клина (неидеальное выравнивание двух кристаллов друг относительно друга).
Учёные продемонстрировали работу "шапки-невидимки" для трёх углов падения (39,5°, 64,5°, 88° — слайды e, f, g) и сделали вывод, что призма из кристаллов будет работать в широком диапазоне углов.
На слайде h показана фотография, полученная при прохождении через призму красного лазерного луча. Ниже: отражение от плоской поверхности. Снова видно, что TE-лучи расходятся гораздо сильнее TM-лучей ("трещина" в центре составляет 2 мм).
В результате TE-лучи (внизу слева) "показали" сведённое изображение букв (CDRSTU) – эффект искривлённого зеркала. А TM-лучи (внизу справа) передали на камеру последовательность букв от H до L – как будто нижняя зеркальная поверхность была плоской. Цветные края букв свидетельствуют о разложении белого света на составляющие и, соответственно, о работе "шапки-невидимки" во всём видимом диапазоне (иллюстрация и фото Shuang Zhang et al.).
Вторая группа учёных под руководством Бэйле Чжана (
Передняя, смотрящая на зрителя, и задняя части "кирпича", а также его верх были окрашены чёрной краской, это покрытие поглощало рассеянный свет. Нижняя поверхность "шапки-невидимки" покрыта серебром. Стороны, смотрящие на лазер и камеру (через них проходил свет), были тщательно отполированы.
Внизу под склеенными кристаллами было сделано отверстие – в него идеально входил стальной клин, который и собирались прятать. Учёные показали, что традиционная тройка (красный, зелёный, синий свет) "не видит" этот объект.
"Я думаю, правительственным организациям будет интересна наша работа. Ведь с её помощью можно делать невидимыми объекты, расположенные на морском дне. Хотя для каких целей она сможет им пригодиться, пока говорить рано", — рассказывает один из авторов второй публикации Джордж Барбастатис из SMART.
Добавим, что нынешние работы фактически протоптали дорожку для будущих исследований в этой многообещающей области. Ведь несложную технологию легко повторить и сделать широко распространённой. Этому в частности способствует то, что кальцит – дешёвый и простой в производстве материал.