Metamateriāli ar negatīvu refrakcijas indeksu. Nano-alfabēts: metamateriāli Kreisās vides izkliede

Metamateriāli ir īpaši kompozītmateriāli, kurus iegūst, mākslīgi pārveidojot tajos ievadītos elementus. Struktūra tiek mainīta nanomērogā, kas dod iespēju mainīt atoma izmērus, formas un režģa periodus, kā arī citus materiāla parametrus. Pateicoties struktūras mākslīgai pārveidei, pārveidotais objekts iegūst pilnīgi jaunas īpašības, kuru dabīgas izcelsmes materiāliem nepiemīt.

Pateicoties iepriekšminētajai transformācijai, tiek modificēta izvēlētā objekta magnētiskā, dielektriskā caurlaidība, kā arī citi fiziskie rādītāji. Rezultātā pārveidotie materiāli iegūst unikālas optiskās, radiofizikālās, elektriskās un citas īpašības, kas paver plašas perspektīvas zinātnes progresa attīstībai. Darbs šajā virzienā var novest pie pilnīgi jaunu ierīču un izgudrojumu rašanās, kas pārsteigs iztēli. Tie ir neredzamības apmetņi, superlēcas un daudz kas cits.

Veidi

Metamateriālus parasti klasificē pēc to refrakcijas pakāpes:

Viendimensionāls. Tajos refrakcijas pakāpe telpā pastāvīgi mainās tikai vienā virzienā. Šādi materiāli ir izgatavoti no elementu slāņiem, kas izvietoti paralēli un kuriem ir dažādas refrakcijas pakāpes. Tās spēj demonstrēt unikālas īpašības tikai vienā telpas virzienā, kas ir perpendikulārs norādītajiem slāņiem.
2D. Tajos refrakcijas pakāpe pastāvīgi mainās tikai 2 telpas virzienos. Šādi materiāli vairumā gadījumu ir izgatavoti no taisnstūra konstrukcijām ar refrakciju m1 un atrodas vidē ar refrakciju m2. Tajā pašā laikā elementi ar refrakciju m1 atrodas 2-dimensiju režģī ar kubisko pamatni. Rezultātā šādi materiāli spēj demonstrēt savas īpašības 2 telpas virzienos. Bet materiālu divdimensionalitāte neaprobežojas tikai ar taisnstūri, to var izveidot, izmantojot apli, elipsi vai citu patvaļīgu formu.
3D. Tajos refrakcijas pakāpe pastāvīgi mainās 3 telpas virzienos. Šādus materiālus var nosacīti attēlot kā apgabalu masīvu tilpuma nozīmē (elipsē, kubā un tā tālāk), kas atrodas trīsdimensiju režģī.

Metamateriālus iedala arī:

Diriģenti. Viņi pārvieto kvazidaļiņas ievērojamos attālumos, bet ar nelieliem zaudējumiem.
Dielektriķi . Spoguļi gandrīz ideālā stāvoklī.
Pusvadītāji . Tie ir elementi, kas, piemēram, var atspoguļot tikai noteikta viļņa garuma kvazidaļiņas.
Supravadītāji . Šajos materiālos kvazidaļiņas var pārvietoties gandrīz neierobežotos attālumos.

Turklāt ir materiāli:

Nerezonējošs.
Rezonanses.

Atšķirība starp rezonējošiem materiāliem un nerezonējošiem elementiem ir tāda, ka tiem ir dielektriskā konstante tikai noteiktā rezonanses frekvencē.

Metamateriālus var izveidot ar dažādām elektriskām īpašībām. Tāpēc tos iedala pēc to relatīvās caurlaidības:

DNG, tas ir, dubults negatīvs - caurlaidības ir negatīvas.
DPS, tas ir, dubultpozitīvs - caurlaidības ir pozitīvas.
Sveiks-Z, tas ir, augstas pretestības virsmas.
SNG, tas ir, viens negatīvs - jaukta tipa materiāli.
DZR, tas ir, dubultā nulle – materiāla caurlaidība ir vienāda ar nulli.

Ierīce

Metamateriāli ir vielas, kuru īpašības nodrošina cilvēku ieviesta mikroskopiska struktūra. Tie tiek sintezēti, iekļaujot noteiktā dabiskas izcelsmes elementā periodiskas struktūras ar dažādām ģeometriskām formām, modificējot sākotnējās struktūras magnētisko un dielektrisko jutību.

Parasti šādus ieslēgumus var uzskatīt par mākslīgiem atomiem, kas ir diezgan lieli. Sintēzes laikā materiāla radītājam ir iespēja piešķirt tam dažādus parametrus, kuru pamatā ir konstrukciju forma un izmēri, perioda mainīgums un tamlīdzīgi. Pateicoties tam, ir iespējams iegūt materiālus ar pārsteidzošām īpašībām.

Viens no slavenākajiem šādiem elementiem ir fotoniskie kristāli. To īpatnība izpaužas kā periodiskas refrakcijas pakāpes izmaiņas telpā vienā, divos un trīs virzienos. Pateicoties šiem parametriem, materiālā var būt zonas, kas var saņemt vai nesaņemt fotonu enerģiju.

Rezultātā, ja uz norādīto vielu izdalās fotons ar noteiktu enerģiju (vajadzīgās frekvences un viļņa garuma), kas neatbilst noteiktā kristāla zonai, tad tas tiek atspoguļots pretējā virzienā. Ja fotons ar parametriem, kas atbilst atļautās zonas parametriem, ietriecas kristālā, tad tas pārvietojas pa to. Citā veidā kristāls darbojas kā optiskais filtra elements. Tāpēc šiem kristāliem ir neticami bagātīgas un spilgtas krāsas.

Darbības princips

Mākslīgi veidoto materiālu galvenā iezīme ir to struktūras periodiskums. Tas varētu būt 1D, 2D vai 3D struktūra. Patiesībā tiem var būt ļoti dažādas struktūras. Piemēram, tos var sakārtot kā dielektriskus elementus, starp kuriem būs atvērti stiepļu gredzeni. Šajā gadījumā gredzenus var deformēt no apaļas līdz kvadrātveida.

Lai nodrošinātu elektrisko īpašību saglabāšanu jebkurā frekvencē, gredzeni ir strukturēti slēgti. Turklāt gredzeni vielā bieži ir izkārtoti nejauši. Jaunas vielas unikālo parametru realizācija notiek pie tās frekvences rezonanses, kā arī elektromagnētiskā viļņa efektīvās frekvences no ārpuses.

Pieteikums

Metamateriāli tiek un arī turpmāk tiks plaši izmantoti visās jomās, kur tiek izmantots elektromagnētiskais starojums. Tās ir medicīna, zinātne, rūpniecība, kosmosa aprīkojums un daudz kas cits. Mūsdienās tiek radīts milzīgs daudzums elektromagnētisko materiālu, kas jau tiek izmantoti.

Radiofizikā un astronomijā tiek izmantoti speciāli pārklājumi, kurus lieliski izmanto teleskopu vai sensoru aizsardzībai, kas izmanto garo viļņu starojumu.
Optikā difrakcijas refrakcija tiek plaši izmantota. Piemēram, jau ir izveidots superobjektīvs, kas ļauj atrisināt standarta optikas izšķirtspējas difrakcijas robežas problēmu. Rezultātā pirmais eksperimentālais objektīva paraugs uzrādīja fenomenālu veiktspēju, tā izšķirtspēja bija 3 reizes lielāka par esošo difrakcijas robežu.

Mikroelektronikā metamateriāli var radīt īstu revolūciju, kas var mainīt gandrīz katra cilvēka dzīvi uz Zemes. Tas varētu novest pie mazāku un neticami efektīvu mobilo tālruņu ierīču un antenu rašanās. Pateicoties jauniem materiāliem, būs iespējams paplašināt datu uzglabāšanas blīvumu, kas nozīmē, ka parādīsies diski un daudzas citas elektroniskas ierīces, kurās varēs būt ievērojams atmiņas apjoms;
Neticami spēcīgu lāzeru radīšana. Pateicoties materiālu izmantošanai ar modificētu struktūru, jau parādās jaudīgi lāzeri, kas ar mazāku enerģijas patēriņu rada jaudīgu un destruktīvu gaismas impulsu. Rezultātā var parādīties lāzerieroči, kas ļaus notriekt ballistiskās raķetes, kas atrodas desmitiem kilometru attālumā.

Industriālie lāzeri spēs efektīvi griezt ne tikai metāla materiālus, kuru biezums ir vairāki desmiti milimetru, bet arī tos, kas ir par kārtu lielāku.

Pateicoties jaunām lāzersistēmām, parādīsies jauni industriālie 3D printeri, kas spēs ātri un kvalitatīvi drukāt metāla izstrādājumus. Kvalitātes ziņā tie praktiski nebūs zemāki par produktiem, kas ražoti, izmantojot tipiskas metālapstrādes metodes. Piemēram, tas varētu būt zobrats vai cita sarežģīta detaļa, kuras izgatavošana normālos apstākļos prasītu daudz laika un pūļu.

Jaunu pretatstarojošu materiālu izveide. Pateicoties to izveidei un izmantošanai, būs iespējams izveidot iznīcinātājus, bumbvedējus, kuģus, zemūdenes, tankus, robotu sistēmas, mobilās instalācijas, piemēram, Yars un Sarmat, kuras nebūs redzamas ienaidnieka sensoriem un radariem. Līdzīgas tehnoloģijas jau var izmantot sestās un septītās paaudzes iznīcinātājos.

Jau šobrīd tehnoloģijai ir iespējams nodrošināt “neredzamību” terahercu frekvenču diapazonā. Nākotnē būs iespējams radīt tehnoloģiju, kas būs neredzama visā frekvenču diapazonā, tajā skaitā “redzama” cilvēka acij. Viens no šādiem risinājumiem ir neredzamības apmetnis. Šobrīd neredzamības apmetnis jau var paslēpt mazus priekšmetus, taču tam ir daži trūkumi.

Spēja redzēt cauri sienām. Jaunu mākslīgo materiālu izmantošana ļaus izveidot ierīces, kas ļaus redzēt cauri sienām. Jau šobrīd tiek radītas ierīces, kas uzrāda spēcīgu magnētisku reakciju uz starojumu terahercu diapazonā.
Blefa sienas vai neesošu militārā aprīkojuma “kopiju” izveidošana. Metamateriāli ļauj radīt ilūziju par objekta klātbūtni vietā, kur tā nepastāv. Piemēram, līdzīgas tehnoloģijas jau izmanto Krievijas militārpersonas, lai radītu daudzas neesošas raķetes, kas “lido” blakus īstajai, lai maldinātu ienaidnieka pretraķešu aizsardzības sistēmu.

Metamateriāls

Metamateriāls- kompozītmateriāls, kura īpašības nosaka ne tik daudz to veidojošo elementu īpašības, bet gan mākslīgi izveidota periodiska struktūra.

Metamateriālus sintezē, oriģinālajā dabiskajā materiālā ievadot dažādas periodiskas struktūras ar dažādām ģeometriskām formām, kas modificē oriģinālā materiāla dielektrisko “ε” un magnētisko “μ” jutību. Ļoti aptuvenā tuvinājumā šādus implantus var uzskatīt par ārkārtīgi lielu izmēru atomiem, kas mākslīgi ievadīti izejmateriālā. Metamateriālu izstrādātājam, tos sintezējot, ir iespēja izvēlēties (variēt) dažādus brīvos parametrus (struktūru izmērus, formu, pastāvīgo un mainīgo periodu starp tiem utt.).

Īpašības

Gaismas pāreja caur metamateriālu ar "kreisās puses" refrakcijas indeksu

Viena no metamateriālu iespējamām īpašībām ir negatīvs (vai kreisās puses) laušanas koeficients, kas parādās, kad dielektriskā un magnētiskā caurlaidība vienlaikus ir negatīva. Šāda metamateriāla piemērs ir parādīts attēlā.

Efektu pamati

Elektromagnētisko viļņu izplatīšanās vienādojumam izotropā vidē ir šāda forma:

(1)

kur ir viļņu vektors, ir viļņa frekvence, ir gaismas ātrums, ir laušanas koeficienta kvadrāts. No šiem vienādojumiem ir acīmredzams, ka vides dielektriskās un magnētiskās jutības pazīmju vienlaicīga maiņa nekādā veidā neietekmēs šīs attiecības.

“Labās” un “kreisās” izotropās vides

(1) vienādojums ir iegūts, pamatojoties uz Maksvela teoriju. Vidēm, kurās vides dielektriskā un magnētiskā jutība ir vienlaikus pozitīva, trīs elektromagnētiskā lauka vektori - elektriskais un magnētiskais un viļņu veido tā saukto sistēmu. labie vektori:

Šādas vides attiecīgi sauc par “labējo spārnu”.

Vides, kurās vienlaikus ir negatīvas, sauc par “kreisajām”. Šādos medijos elektriskie, magnētiskie un viļņu vektori veido kreiso vektoru sistēmu.

Angļu valodas literatūrā aprakstītie materiāli tiek saukti par labās un kreisās puses materiāliem vai attiecīgi saīsināti RHM (labais) un LHM (pa kreisi).

Enerģijas pārnešana ar labās un kreisās puses viļņiem

Enerģijas plūsmu, ko nes vilnis, nosaka Pointinga vektors, kas ir vienāds ar . Vektors vienmēr veido labās puses trīskāršu ar vektoriem. Tādējādi labās puses vielām un ir vērstas vienā virzienā, bet kreisajām - dažādos virzienos. Tā kā vektors sakrīt virzienā ar fāzes ātrumu, ir skaidrs, ka kreisās puses vielas ir vielas ar tā saukto negatīvo fāzes ātrumu. Citiem vārdiem sakot, kreiso vielu vielās fāzes ātrums ir pretējs enerģijas plūsmai. Šādās vielās, piemēram, tiek novērots apgriezts Doplera efekts.

Kreisā vidējā dispersija

Vides negatīvā indikatora esamība ir iespējama, ja tai ir frekvenču dispersija. Ja tajā pašā laikā , , tad viļņa enerģija būs negatīva(!). Vienīgais veids, kā izvairīties no šīs pretrunas, ir, ja vidē ir frekvenču dispersija un .

Viļņu izplatīšanās piemēri kreisās puses vidē

Superlēcas

Šo Dž.Pendija priekšlikumu Viktors Veselago kritizēja kā nepieņemamu. Tādējādi šobrīd tiek apspriests jautājums par superlēcu veidošanu, pamatojoties uz kreiso mediju, un turpinās eksperimentālie mēģinājumi radīt lēcas.

Pirmajam eksperimentāli demonstrētajam negatīvā indeksa superlēcai bija trīs reizes labāka izšķirtspēja nekā difrakcijas robeža. Eksperiments tika veikts mikroviļņu frekvencēs. Superlēca tika ieviesta optiskajā diapazonā 2005. gadā. Tas bija objektīvs, kas neizmantoja negatīvo refrakciju, bet izmantoja plānu sudraba slāni, lai pastiprinātu izgaistošos viļņus.

Pārskatā ir izklāstīti jaunākie sasniegumi superlēcu izveidē. Lai izveidotu superlēcu, uz substrāta tiek izmantoti mainīgi sudraba un magnija fluorīda slāņi, uz kuriem pēc tam tiek izgriezts nanorežģis. Rezultāts bija trīsdimensiju kompozītmateriālu struktūra ar negatīvu refrakcijas indeksu tuvajā infrasarkanajā reģionā. Otrajā gadījumā metamateriāls tika izveidots, izmantojot nanovadus, kas tika elektroķīmiski audzēti uz porainas alumīnija oksīda virsmas.

2007. gada sākumā tika paziņots par metamateriāla izveidi ar negatīvu refrakcijas indeksu redzamajā reģionā. Materiāla refrakcijas koeficients pie viļņa garuma 780 nm bija –0,6.

Pieteikums

Pēdējā laikā no vairākiem zinātniskiem centriem ir parādījušies ziņojumi, ka ir sperts vēl viens solis pretī neredzamības apmetņa izveidei. Šis apmetnis ļauj padarīt objektu, ko tas pārklāj, neredzamu, jo tas neatstaro gaismu.

Sakarā ar to, ka metamateriāliem ir negatīvs refrakcijas indekss, tie ir ideāli piemēroti objektu maskēšanai, jo tos nevar noteikt ar radio izlūkošanu.

Stāsts

Vairumā gadījumu materiālu ar negatīvu refrakcijas koeficientu izdošanas vēsture sākas ar padomju fiziķa Viktora Veselago darba pieminēšanu, kas publicēts žurnālā "Uspekhi Fizicheskikh Nauk" par gadu (http://ufn.ru). /ru/articles/1967/7/d/ ). Rakstā tika apspriesta iespēja iegūt materiālu ar negatīvu refrakcijas indeksu, ko sauca par "kreiso roku". Autore nonāca pie secinājuma, ka ar šādu materiālu būtiski mainās gandrīz visas zināmās optiskās viļņu izplatīšanās parādības, lai gan tajā laikā materiāli ar negatīvu laušanas koeficientu vēl nebija zināmi. Te gan jāatzīmē, ka patiesībā šādi “kreiļie” mediji daudz agrāk tika apspriesti Sivuhina darbā (Sivukhin D.V. // Optics and Spectroscopy, T.3, P.308 (1957)) un g. Pafomova raksti (Pafomovs V. E. // JETP, T.36, P.1853 (1959); T.33, P.1074 (1957) T.30, P.761 (1956)). Detalizēts problēmas vēstures apraksts atrodams V. M. Agranoviča un Ju N. Gartšteina darbā (http://ufn.ru/ru/articles/2006/10/c/).

Pēdējos gados ir veikti intensīvi pētījumi par parādībām, kas saistītas ar negatīvu refrakcijas indeksu. Šo pētījumu intensifikācijas iemesls bija jaunas mākslīgi modificētu materiālu klases ar īpašu struktūru rašanās, ko sauc par metamateriāliem. Metamateriālu elektromagnētiskās īpašības nosaka to iekšējās struktūras elementi, kas novietoti atbilstoši noteiktai shēmai mikroskopiskā līmenī. Tāpēc šo materiālu īpašības var mainīt tā, lai tiem būtu plašāks elektromagnētisko raksturlielumu diapazons, tostarp negatīvs laušanas koeficients.

Skatīt arī

Piezīmes

Engeta Nadere Metamateriāli: fizikas un inženiertehniskie pētījumi. - Wiley & Sons. - P. xv, 3.–30., 37., 143.–150., 215.–234., 240.–256. - ISBN 9780471761020
Smits, Deivids R. Kas ir elektromagnētiskie metamateriāli? . Jauni elektromagnētiskie materiāli. Pētniecības grupa D.R. Smits (2006. gada 10. jūnijs). Arhivēts no oriģināla 2012. gada 15. februārī. Iegūts 2009. gada 19. augustā.
bezmaksas lejupielādes rakstu kolekcija, ko veidojis Dž. Pendrijs
Veselago V. G. Materiālu ar negatīvu laušanas koeficientu elektrodinamika // UFN. - 2003. - 7. - lpp. 790-794. - DOI:10.3367/UFNr.0173.200307m.0790
Munks, B. A. Metamateriāli: kritika un alternatīvas. - Hoboken, N.J.: John Wiley, 2009. - ISBN 0470377046
A. Grbic un G.V. Elefteriādes (2004). "Difrakcijas robežas pārvarēšana ar plakanu kreiso pārvades līnijas objektīvu." Fiziskās apskates vēstules 92 . DOI:10.1103/PhysRevLett.92.117403.
N. Fang et al. (2005). "Ierobežotas subdifrakcijas optiskā attēlveidošana ar sudraba superlēcu." Zinātne 308 (5721): 534–7. DOI:10.1126/zinātne.1108759. PMID 15845849. Lay kopsavilkums.
(2008) "Metamateriāli noliek gaismu jaunā līmenī." Ķīmijas un inženierzinātņu ziņas 86 (33).
J. Valentine et al. (2008). "Trīsdimensiju optiskais metamateriāls ar negatīvu refrakcijas indeksu." Daba 455 (7211): 376–9.

Gaismas ātruma attiecība Ar vakuumā uz fāzes ātrumu v gaisma vidē:

sauca absolūtais refrakcijas indekssšo vidi.

ε - relatīvā dielektriskā konstante,

μ - relatīvā magnētiskā caurlaidība.

Jebkurai videi, izņemot vakuumu, vērtība n atkarīgs no gaismas frekvences un vides stāvokļa (tās temperatūras, blīvuma utt.). Retām vidēm (piemēram, gāzēm normālos apstākļos).

Visbiežāk materiāla refrakcijas indeksu atceras, apsverot gaismas laušanas efektu divu optisko datu nesēju saskarnē.

Šī parādība ir aprakstīta Snella likums:

kur α ir gaismas krišanas leņķis, kas nāk no vides ar refrakcijas koeficientu n 1, un β ir gaismas laušanas leņķis vidē ar refrakcijas koeficientu n 2.

Visiem nesējiem, ko var atrast dabā, krītošie un lauztās gaismas stari atrodas pretējās normālās pusēs, kas ir atjaunotas saskarnē starp nesējiem refrakcijas punktā. Tomēr, ja mēs formāli aizstājam Snella likumu n 2<0 , tiek realizēta šāda situācija: krītošie un lauztās gaismas stari atrodas normālā vienā pusē.

Uz teorētisko iespēju pastāvēt unikāli materiāli ar negatīvu laušanas koeficientu, padomju fiziķis V. Veselago norādīja gandrīz pirms 40 gadiem. Fakts ir tāds, ka laušanas koeficients ir saistīts ar divām citām matērijas pamatīpašībām, dielektrisko konstanti ε un magnētiskā caurlaidība μ , vienkārša sakarība: n 2 = ε·μ. Neskatoties uz to, ka šo vienādojumu apmierina gan pozitīvās, gan negatīvās n vērtības, zinātnieki ilgu laiku atteicās ticēt pēdējā fiziskajai nozīmei - līdz Veselago parādīja, ka n< 0 gadījumā, ja tajā pašā laikā ε < 0 Un μ < 0 .

Ir labi zināmi dabiskie materiāli ar negatīvu dielektrisko konstanti - jebkurš metāls frekvencēs virs plazmas frekvences (pie kurām metāls kļūst caurspīdīgs). Šajā gadījumā ε < 0 tiek panākts, pateicoties tam, ka metālā esošie brīvie elektroni aizsargā ārējo elektromagnētisko lauku. Ar to ir daudz grūtāk izveidot materiālu μ < 0 , tādi materiāli dabā nepastāv.

Pagāja 30 gadi, līdz angļu zinātnieks Džons Pendrijs 1999. gadā parādīja, ka vadošam gredzenam ar spraugu var iegūt negatīvu magnētisko caurlaidību. Ja jūs ievietojat šādu gredzenu mainīgā magnētiskajā laukā, gredzenā radīsies elektriskā strāva, un spraugā parādīsies loka izlāde. Tā kā induktivitāti var attiecināt uz metāla gredzenu L, un sprauga atbilst efektīvajai kapacitātei AR, sistēmu var uzskatīt par vienkāršāko svārstību ķēdi ar rezonanses frekvenci ω 0 ~ 1/(LC) -1/2. Šajā gadījumā sistēma izveido savu magnētisko lauku, kas būs pozitīvs mainīgā magnētiskā lauka frekvencēs ω < ω 0 un negatīvs plkst ω > ω 0 .

Tādējādi ir iespējamas sistēmas ar negatīvu reakciju gan uz elektromagnētiskā starojuma elektriskajām, gan magnētiskajām sastāvdaļām. Amerikāņu pētnieki Deivida Smita vadībā bija pirmie, kas 2000. gadā apvienoja abas sistēmas vienā materiālā. Izveidotais metamateriāls sastāvēja no metāla stieņiem, kas atbild par ε < 0 , un vara gredzenu rezonatori, pateicoties kuriem bija iespējams panākt μ < 0 .

Neapšaubāmi, šādu struktūru diez vai var saukt par materiālu šī vārda tradicionālajā nozīmē, jo tā sastāv no atsevišķiem makroskopiskiem objektiem. Tikmēr šī struktūra ir “optimizēta” mikroviļņu starojumam, kura viļņa garums ir ievērojami garāks par atsevišķiem metamateriāla konstrukcijas elementiem. Tāpēc no mikroviļņu viedokļa arī pēdējais ir viendabīgs, kā, piemēram, optiskais stikls redzamai gaismai. Secīgi samazinot konstrukcijas elementu izmērus, ir iespējams izveidot metamateriālus ar negatīvu laušanas koeficientu terahercu (no 300 GHz līdz 3 THz) un infrasarkanajam (no 1,5 THz līdz 400 THz) spektrālajam diapazonam. Zinātnieki sagaida, ka, pateicoties mūsdienu nanotehnoloģiju sasniegumiem, jau tuvākajā nākotnē tiks izveidoti metamateriāli redzamajam spektra diapazonam.

Šādu materiālu praktiskā izmantošana, pirmkārt, ir saistīta ar iespēju izveidot uz tiem balstītu terahercu optiku, kas savukārt novedīs pie meteoroloģijas un okeanogrāfijas attīstības, radaru ar jaunām īpašībām rašanās un jebkuriem laikapstākļiem. navigācijas rīki, ierīces detaļu kvalitātes attālinātai diagnostikai un drošības sistēmas, kas ļauj atklāt ieročus zem apģērba, kā arī unikālas medicīniskās ierīces.

Izgatavots no metamateriāla ar pārsteidzošām optiskām īpašībām, superlēca var radīt attēlus ar detaļām, kas ir mazākas par izmantotās gaismas viļņa garumu.

Gandrīz pirms 40 gadiem padomju zinātnieks Viktors Veselago izvirzīja hipotēzi par tādu materiālu esamību, kuriem ir negatīvs laušanas koeficients (UFN, 1967, 92. sēj., 517. lpp.). Gaismas viļņiem tajās jāpārvietojas pretēji staru kūļa izplatīšanās virzienam un kopumā jāuzvedas pārsteidzoši, savukārt no šiem materiāliem izgatavotajām lēcām ir jāpiemīt maģiskām īpašībām un nepārspējamām īpašībām. Tomēr visām zināmajām vielām ir pozitīvs refrakcijas indekss: pēc vairāku gadu intensīviem meklējumiem Veselago neatrada nevienu materiālu ar piemērotām elektromagnētiskajām īpašībām, un viņa hipotēze tika aizmirsta. Viņi to atcerējās tikai 21. gadsimta sākumā. (cm.: ).

Pateicoties jaunākajiem sasniegumiem materiālu zinātnē, Veselago ideja ir atdzimusi. Vielu elektromagnētiskās īpašības nosaka tos veidojošo atomu un molekulu īpašības, kurām ir diezgan šaurs raksturlielumu diapazons. Tāpēc miljoniem mums zināmo materiālu īpašības nav tik dažādas. Tomēr 90. gadu vidū. Zinātnieki no Materiālu tehnoloģiju centra. Markoni Anglijā sāka radīt metamateriālus, kas sastāv no makroskopiskiem elementiem un izkliedē elektromagnētiskos viļņus pilnīgi citādā veidā nekā jebkuras zināmas vielas.

2000. gadā Deivids Smits un kolēģi Kalifornijas Universitātē Sandjego izgatavoja metamateriālu ar negatīvu refrakcijas indeksu. Gaismas uzvedība tajā izrādījās tik dīvaina, ka teorētiķiem bija jāpārraksta grāmatas par vielu elektromagnētiskajām īpašībām. Eksperimentālisti jau izstrādā tehnoloģijas, kas izmanto metamateriālu pārsteidzošās īpašības, radot superlēcas, kas spēj radīt attēlus ar detaļām, kas ir mazākas par izmantotās gaismas viļņa garumu. Ar to palīdzību būtu iespējams izgatavot mikroshēmas ar nanoskopiskiem elementiem un ierakstīt milzīgus informācijas apjomus optiskajos diskos.

Negatīvā refrakcija

Lai saprastu, kā notiek negatīvā refrakcija, apskatīsim elektromagnētiskā starojuma mijiedarbības mehānismu ar vielu. Elektromagnētiskais vilnis (piemēram, gaismas stars), kas iet caur to, izraisa atomu vai molekulu elektronu kustību. Tas patērē daļu viļņu enerģijas, kas ietekmē tā īpašības un izplatīšanās raksturu. Lai iegūtu nepieciešamos elektromagnētiskos raksturlielumus, pētnieki izvēlas materiāla ķīmisko sastāvu.

Bet, kā liecina metamateriālu piemērs, ķīmija nav vienīgais veids, kā iegūt interesantas matērijas īpašības. Materiāla elektromagnētisko reakciju var "konstruēt", izveidojot sīkas makroskopiskas struktūras. Fakts ir tāds, ka parasti elektromagnētiskā viļņa garums ir par vairākām kārtām lielāks nekā atomu vai molekulu izmērs. Vilnis “redz” nevis atsevišķu molekulu vai atomu, bet miljoniem daļiņu kolektīvo reakciju. Tas attiecas arī uz metamateriāliem, kuru elementi arī ir ievērojami mazāki par viļņa garumu.

Elektromagnētisko viļņu laukam, kā norāda to nosaukums, ir gan elektriskā, gan magnētiskā sastāvdaļa. Elektroni materiālā pārvietojas uz priekšu un atpakaļ elektriskā lauka ietekmē un pa apli magnētiskā lauka ietekmē. Mijiedarbības pakāpi nosaka divas vielas īpašības: dielektriskā konstante ε un magnētiskā caurlaidība μ . Pirmais parāda elektronu reakcijas pakāpi uz elektrisko lauku, otrais - reakcijas pakāpi uz magnētisko lauku. Lielākā daļa materiālu ε Un μ Virs nulles.

Vielas optiskās īpašības raksturo tās refrakcijas indekss n, kas ir saistīts ar ε Un μ vienkārša sakarība: n = ± √(ε∙μ). Visiem zināmajiem materiāliem kvadrātsaknes priekšā jābūt zīmei "+", un tāpēc tiem ir pozitīvs laušanas koeficients. Tomēr 1968. gadā Veselago parādīja, ka vielas ar negatīvu ε Un μ refrakcijas indekss n jābūt mazākam par nulli. Negatīvs ε vai μ tiek iegūti, kad materiālā elektroni pārvietojas pretējā virzienā elektrisko un magnētisko lauku radītajiem spēkiem. Lai gan šī uzvedība šķiet paradoksāla, nav tik grūti panākt, lai elektroni kustētos pret elektrisko un magnētisko lauku spēkiem.

Ja jūs spiedīsit svārstu ar roku, tas paklausīgi virzīsies grūdiena virzienā un sāks svārstīties ar tā saukto rezonanses frekvenci. Laicīgi nospiežot svārstu ar šūpošanos, jūs varat palielināt svārstību amplitūdu. Ja tu to spiedīsi ar lielāku frekvenci, tad triecieni vairs nesakritīs ar svārstībām fāzē, un kādā brīdī rokā trāpīs svārsts, kas virzās uz to. Tāpat elektroni materiālā ar negatīvu refrakcijas koeficientu iziet no fāzes un sāk pretoties elektromagnētiskā lauka “spiedieniem”.

Metamateriāli

Šāda veida negatīvas reakcijas atslēga ir rezonanse, tas ir, tendence vibrēt noteiktā frekvencē. Tas ir mākslīgi izveidots metamateriālā, izmantojot sīkas rezonanses ķēdes, kas simulē vielas reakciju uz magnētisko vai elektrisko lauku. Piemēram, salauztā gredzena rezonatorā (RRR) magnētiskā plūsma, kas iet caur metāla gredzenu, inducē tajā apļveida strāvas, kas ir līdzīgas strāvām, kas izraisa dažu materiālu magnētismu. Un taisnu metāla stieņu režģī elektriskais lauks rada gar tiem virzītas strāvas.

Brīvie elektroni šādās ķēdēs svārstās ar rezonanses frekvenci atkarībā no vadītāja formas un izmēra. Ja tiek izmantots lauks ar frekvenci zem rezonanses frekvences, tiks novērota normāla pozitīva reakcija. Tomēr, palielinoties frekvencei, reakcija kļūst negatīva, tāpat kā gadījumā, ja svārsts virzās uz jums, ja jūs to nospiežat ar frekvenci virs rezonanses. Tādējādi vadītāji noteiktā frekvenču diapazonā var reaģēt uz elektrisko lauku kā vidi ar negatīvu ε , un gredzeni ar griezumiem var atdarināt materiālu ar negatīvu μ . Šie vadītāji un gredzeni ar griezumiem ir elementāri bloki, kas nepieciešami, lai izveidotu plašu metamateriālu klāstu, tostarp tos, kurus meklēja Veselago.

Pirmais eksperimentālais apstiprinājums iespējai izveidot materiālu ar negatīvu refrakcijas koeficientu tika iegūts 2000. gadā Kalifornijas Universitātē Sandjego ( UCSD). Tā kā metamateriāla pamatelementiem jābūt daudz mazākiem par viļņa garumu, pētnieki strādāja ar centimetru viļņa garuma starojumu un izmantoja dažus milimetrus lielus elementus.

Kalifornijas zinātnieki ir izstrādājuši metamateriālu, kas sastāv no mainīgiem vadītājiem un RKR, kas samontēts prizmas formā. Diriģenti sniedza negatīvu ε , un gredzeni ar griezumiem - negatīvi μ . Rezultātam vajadzēja būt negatīvam refrakcijas indeksam. Salīdzinājumam no teflona tika izgatavota tieši tādas pašas formas prizma, kas n= 1,4. Pētnieki novirzīja mikroviļņu starojuma staru uz prizmas malu un izmērīja no tās izplūstošo viļņu intensitāti dažādos leņķos. Kā gaidīts, staru kūli pozitīvi lauza teflona prizma un negatīvi lauza metamateriāla prizma. Veselago pieņēmums kļuva par realitāti: beidzot tika iegūts materiāls ar negatīvu refrakcijas koeficientu. Vai nē?

Vēlama vai faktiska?

Eksperimenti iekšā UCSD kopā ar ievērojamām jaunajām prognozēm, ko fiziķi izteica par materiālu ar negatīvu laušanas koeficientu īpašībām, izraisīja intereses vilni citu pētnieku vidū. Kad Veselago izteica savu hipotēzi, metamateriāli vēl nepastāvēja, un eksperti rūpīgi neizpētīja negatīvās refrakcijas fenomenu. Tagad viņi sāka viņai pievērst daudz vairāk uzmanības. Skeptiķi ir jautājuši, vai materiāli ar negatīvu refrakcijas indeksu pārkāpj fizikas pamatlikumus. Ja tas tā izrādītos, visa pētniecības programma tiktu apšaubīta.

Karstākās debates izraisīja jautājums par viļņu ātrumu sarežģītā materiālā. Gaisma vakuumā pārvietojas ar maksimālo ātrumu c= 300 tūkstoši km/s. Gaismas ātrums materiālā ir mazāks: v =c/n. Bet kas notiks, ja n negatīvs? Vienkārša gaismas ātruma formulas interpretācija parāda, ka gaisma virzās pretējā virzienā.

Pilnīgākā atbildē tiek ņemts vērā, ka vilnim ir divi ātrumi: fāze un grupa. Lai saprastu to nozīmi, iedomājieties gaismas impulsu, kas kustas caur vidi. Tas izskatīsies apmēram šādi: viļņa amplitūda palielinās līdz maksimumam impulsa centrā un pēc tam atkal samazinās. Fāzes ātrums ir atsevišķu pārrāvumu ātrums, un grupas ātrums ir ātrums, ar kādu pārvietojas impulsa apvalks. Viņiem nav jābūt vienādiem.

Veselago atklāja, ka materiālā ar negatīvu refrakcijas indeksu grupas un fāzes ātrumi pārvietojas pretējos virzienos: atsevišķi maksimumi un minimumi virzās atpakaļ, bet viss impulss virzās uz priekšu. Interesanti apsvērt, kā izturēsies nepārtraukts gaismas stars no avota (piemēram, prožektora), kas iegremdēts materiālā ar negatīvu laušanas koeficientu. Ja mēs varētu novērot atsevišķas gaismas viļņa svārstības, mēs redzētu, kā tās parādās uz objekta, ko apgaismo stars, virzās atpakaļ un galu galā pazūd prožektoru gaismā. Tomēr gaismas stara enerģija virzās uz priekšu, attālinoties no gaismas avota. Tieši šajā virzienā stars faktiski izplatās, neskatoties uz tā atsevišķo svārstību pārsteidzošo kustību atpakaļ.

Praksē ir grūti novērot atsevišķas gaismas viļņa svārstības, un impulsa forma var būt ļoti sarežģīta, tāpēc fiziķi bieži izmanto kādu gudru triku, lai parādītu fāzes un grupas ātruma atšķirību. Kad divi viļņi ar nedaudz atšķirīgu viļņu garumu pārvietojas vienā virzienā, tie traucē, radot sitienu modeli, kuru virsotnes pārvietojas ar grupas ātrumu.

Šīs tehnikas izmantošana eksperimentam UCSD refrakcija 2002. gadā Prašants M. Valanju un viņa kolēģi Teksasas Universitātē Ostinā novēroja ko interesantu. Refrakcijas saskarnē starp nesējiem ar negatīvu un pozitīvu refrakcijas indeksu, divi viļņi ar dažādu viļņu garumu tika novirzīti nedaudz atšķirīgos leņķos. Sitiena shēma izrādījās nevis tāda, kādai vajadzēja būt stariem ar negatīvu refrakciju, bet gan tādai, kādai vajadzēja būt ar pozitīvu refrakciju. Salīdzinot sitienu modeli ar grupas ātrumu, Teksasas pētnieki secināja, ka jebkuram fiziski iespējamam viļņam ir jāpiedzīvo pozitīva refrakcija. Lai gan materiāls ar negatīvu refrakcijas koeficientu varētu pastāvēt, negatīvu refrakciju nevar panākt.

Kā tad mēs varam izskaidrot eksperimentu rezultātus UCSD? Valanjou un daudzi citi pētnieki novēroto negatīvo refrakciju attiecināja uz citām parādībām. Varbūt paraugs absorbēja tik daudz enerģijas, ka viļņi parādījās tikai no prizmas šaurās puses, imitējot negatīvu refrakciju? Galu galā metamateriāls UCSD patiešām spēcīgi absorbē starojumu, un mērījumi tika veikti prizmas tuvumā. Tāpēc absorbcijas hipotēze izskatās diezgan ticama.

Rezultāti radīja lielas bažas: tie varēja padarīt nederīgus ne tikai eksperimentus UCSD, bet arī visu Veselago prognozēto parādību klāstu. Tomēr pēc dažām domām mēs sapratām, ka nevaram paļauties uz sitienu modeli kā grupas ātruma indikatoru: diviem viļņiem, kas pārvietojas dažādos virzienos, traucējumu shēmai nav nekā kopīga ar grupas ātrumu.

Kad kritiķu argumenti sāka sabrukt, parādījās papildu eksperimentāli pierādījumi negatīvai refrakcijai. Minas Tanielian grupa ( Minass Tanielians) no uzņēmuma Boeing Phantom Works Sietlā eksperimentu atkārtoja UCSD ar prizmu, kas izgatavota no metamateriāla ar ļoti zemu absorbciju. Turklāt sensors atradās daudz tālāk no prizmas, lai absorbciju metamateriālā nevarētu sajaukt ar staru kūļa negatīvo refrakciju. Jauno datu augstākā kvalitāte izbeidz šaubas par negatīvās refrakcijas esamību.

Turpinājums sekos

Kad kaujas dūmi noskaidrojās, mēs sākām saprast, ka ievērojamais stāsts, ko Veselago stāstīja, nebija pēdējais vārds materiāliem ar negatīvu indeksu. Padomju zinātnieks izmantoja gaismas staru ģeometriskās konstruēšanas metodi, ņemot vērā atstarošanu un laušanu dažādu materiālu robežās. Šis jaudīgais paņēmiens palīdz mums saprast, piemēram, kāpēc objekti peldbaseinā šķiet tuvāk virsmai, nekā tie patiesībā ir, un kāpēc šķidrumā līdz pusei iegremdēts zīmulis šķiet saliekts. Lieta ir tāda, ka ūdens refrakcijas indekss ( n= 1,3) ir lielāks nekā gaisa, un gaismas stari tiek lauzti uz robežas starp gaisu un ūdeni. Refrakcijas koeficients ir aptuveni vienāds ar reālā dziļuma attiecību pret šķietamo dziļumu.

Veselago izmantoja staru izsekošanu, lai prognozētu, ka stars ir izgatavots no materiāla ar negatīvu refrakcijas koeficientu n= −1 jādarbojas kā objektīvam ar unikālām īpašībām. Lielākā daļa no mums ir pazīstami ar objektīviem, kas izgatavoti no pozitīviem refrakcijas materiāliem - kamerās, palielinātājos, mikroskopos un teleskopos. Tiem ir fokusa attālums, un attēla veidošanas vieta ir atkarīga no fokusa attāluma un attāluma starp objektu un objektīvu kombinācijas. Attēli parasti atšķiras no objekta izmēra, un objektīvi vislabāk darbojas objektiem, kas atrodas uz ass caur objektīvu. Veselago objektīvs darbojas pilnīgi savādāk nekā parastie: tā darbība ir daudz vienkāršāka, tas ietekmē tikai objektus, kas atrodas blakus, un pārnes visu optisko lauku no vienas objektīva puses uz otru.

Veselago objektīvs ir tik neparasts, ka Džons Pendrijs ( Džons B. Pendrijs) Man bija jābrīnās: cik perfekti tas var darboties? Un jo īpaši, kāda varētu būt Veselago objektīva maksimālā izšķirtspēja? Optiskos elementus ar pozitīvu refrakcijas indeksu ierobežo difrakcijas robeža — tie var izšķirt pazīmes, kas ir vienādas vai lielākas par no objekta atstarotās gaismas viļņa garumu. Difrakcija nosaka galīgo ierobežojumu visām attēlveidošanas sistēmām, piemēram, mazākajam objektam, ko var redzēt ar mikroskopu, vai mazākajam attālumam starp divām zvaigznēm, ko teleskops var noteikt. Difrakcija nosaka arī mazāko detaļu, ko var izveidot optiskās litogrāfijas procesā mikroshēmu (čipu) ražošanā. Tāpat difrakcija ierobežo informācijas apjomu, ko var saglabāt vai nolasīt optiskajā digitālajā video diskā (DVD). Veids, kā apiet difrakcijas robežu, varētu mainīt tehnoloģiju, ļaujot optiskajai litogrāfijai iekļūt nanomēroga diapazonā un, iespējams, simtiem reižu palielināt optiskajos diskos saglabāto datu apjomu.

Lai noteiktu, vai negatīvā refrakcijas optika patiešām varētu pārspēt parasto (“pozitīvo”) optiku, mums ir jāiet tālāk, nekā tikai jāskatās uz staru ceļu. Iepriekšējā pieeja neņem vērā difrakciju, un tāpēc to nevar izmantot, lai prognozētu negatīvi refrakcijas lēcu izšķirtspēju. Lai iekļautu difrakciju, mums bija jāizmanto precīzāks elektromagnētiskā lauka apraksts.

Superlēcas

Lai to aprakstītu precīzāk, elektromagnētiskie viļņi no jebkura avota — izstaro atomus, radio antenas vai gaismas staru — pēc tam, kad ir izgājuši cauri nelielam caurumam, rada divu dažādu veidu laukus: tālo lauku un tuvo lauku. Tāls lauks, kā norāda tā nosaukums, tiek novērots tālu no objekta un tiek uztverts ar objektīvu, veidojot objekta attēlu. Diemžēl šajā attēlā ir tikai aptuvens objekta attēls, kurā difrakcija ierobežo izšķirtspēju līdz viļņa garumam. Tuvajā laukā ir visas smalkās objekta detaļas, taču tā intensitāte ātri samazinās līdz ar attālumu. Pozitīvās refrakcijas lēcas nedod iespēju pārtvert ārkārtīgi vājo tuvo lauku un pārraidīt tā datus attēlā. Tomēr tas neattiecas uz negatīvām refrakcijas lēcām.

Sīki izpētījis, kā avota tuvākie un tālākie lauki mijiedarbojas ar Veselago objektīvu, Pendry 2000. gadā visiem par pārsteigumu nonāca pie secinājuma, ka objektīvs principā var fokusēt gan tuvus, gan tālus laukus. Ja šī satriecošā prognoze būtu patiesa, tas nozīmētu, ka Veselago objektīvam, atšķirībā no visām citām zināmajām optikas ierīcēm, neattiecas difrakcijas robeža. Tāpēc plakanu struktūru ar negatīvu refrakciju sauca par superlēcu.

Turpmākajā analīzē mēs un citi atklājām, ka superlēcas izšķirtspēju ierobežo tā negatīvā refrakcijas materiāla kvalitāte. Lai nodrošinātu vislabāko veiktspēju, ir jābūt ne tikai refrakcijas indeksam n bija vienāds ar –1, bet arī tas, ka ε un μ abi bija vienādi ar –1. Objektīvam, kuram šie nosacījumi nav izpildīti, ir krasi pazemināta izšķirtspēja. Šo nosacījumu vienlaicīga izpilde ir ļoti nopietna prasība. Bet 2004. gadā Entonijs Grbics ( Entonijs Grbics) un Džordžs Elefteriāds ( Džordžs V. Elefteriāde) no Toronto Universitātes ir eksperimentāli parādījuši, ka metamateriāls, kas konstruēts tā, lai radiofrekvenču diapazonā būtu ε = -1 un μ = -1, patiešām var izšķirt objektus mērogā, kas ir mazāks par difrakcijas robežu. Viņu rezultāts pierādīja, ka superlēcu var uzbūvēt, bet vai to var izveidot vēl īsākiem optisko viļņu garumiem?

Grūtībām, kas saistītas ar metamateriālu mērogošanu optiskajos viļņu garumos, ir divas puses. Pirmkārt, metāliski vadošie elementi, kas veido metamateriālu mikroshēmas, piemēram, vadītāji un sadalītie gredzeni, ir jāsamazina līdz nanometru skalai, lai tie būtu mazāki par redzamās gaismas viļņa garumu (400–700 nm). Otrkārt, īsie viļņu garumi atbilst augstākām frekvencēm, un metāliem šādās frekvencēs ir sliktāka vadītspēja, tādējādi nomācot rezonanses, uz kurām balstās metamateriālu īpašības. 2005. gadā Kostas Soukolis ( Kostas Soukoulis) no Aiovas universitātes un Mārtins Vegeners ( Mārtiņš Vēgeners) no Karlsrūes universitātes Vācijā ir eksperimentāli pierādījuši, ka ir iespējams izgatavot rievgredzenus, kas darbojas ar viļņa garumu līdz 1,5 mikroniem. Neskatoties uz to, ka pie tik īsiem viļņu garumiem rezonanse uz lauka magnētisko komponenti kļūst ļoti vāja, ar šādiem elementiem joprojām var veidoties interesanti metamateriāli.

Bet mēs vēl nevaram izveidot materiālu, kas redzamās gaismas viļņu garumā rada μ =–1. Par laimi, kompromiss ir iespējams. Ja attālums starp objektu un attēlu ir daudz mazāks par viļņa garumu, ir jāizpilda tikai nosacījums ε =−1, un μ vērtību var neņemt vērā. Tikai pagājušajā gadā Ričarda Blekija grupa ( Ričards Blaikijs) no Kenterberijas Universitātes Jaunzēlandē un Xiang Jang grupas ( Sjans Džans) no Kalifornijas Universitātes Bērklijā, ievērojot šīs vadlīnijas, neatkarīgi demonstrēja superizšķirtspēju optiskā sistēmā. Pie optiskā viļņa garuma metāla iekšējās rezonanses var izraisīt negatīvu dielektrisko konstanti (ε). Tāpēc ļoti plāns metāla slānis pie viļņa garuma, kur ε = −1, var darboties kā superlēca. Gan Bleikijs, gan Jungs izmantoja apmēram 40 nm biezu sudraba slāni, lai attēlotu 365 nm gaismas starus, ko izstaro formas caurumi, kas ir mazāki par gaismas viļņa garumu. Lai gan sudraba plēve bija tālu no ideāla objektīva, sudraba superlēca ievērojami uzlaboja attēla izšķirtspēju, pierādot, ka superobjektīva pamatprincips ir pareizs.

Ieskats nākotnē

Superlēcu demonstrācija ir tikai jaunākā no daudzajām prognozēm par negatīvi refrakcijas materiālu īpašībām, kas liecina par straujo progresu, kas notiek šajā augošajā jomā. Negatīvās refrakcijas iespēja piespieda fiziķus pārskatīt gandrīz visu elektromagnētisma jomu. Un, kad šis ideju klāsts ir pilnībā izprasts, būs jāpārskata tādas optiskās pamata parādības kā refrakcija un izšķirtspējas difrakcijas robeža, lai ņemtu vērā jaunos negaidītos pagriezienus, kas saistīti ar negatīvi refrakcijas materiāliem.

Metamateriālu maģija un negatīvās refrakcijas maģija joprojām ir “jāpārvērš” lietišķajā tehnoloģijā. Šāds solis prasīs uzlabot metamateriālu dizainu un tos ražot par saprātīgām izmaksām. Šobrīd šajā jomā darbojas daudzas pētniecības grupas, kas enerģiski izstrādā problēmas risināšanas veidus.

Viktora Veselago teorija un prakse

Interesantu joku izspēlēja fizikas un matemātikas zinātņu doktora, IOFAN darbinieka un Maskavas Fizikas un tehnoloģijas institūta profesora Viktora Georgijeviča Veselago liktenis. Visu savu dzīvi veltījis praksei un eksperimentiem, viņš saņēma starptautisku atzinību par vienu no interesantākajām elektrodinamikas parādībām teorētiskajām prognozēm.

Liktenīgs negadījums

Viktors Georgijevičs Veselago dzimis 1929. gada 13. jūnijā Ukrainā un, pēc viņa vārdiem, līdz noteiktam brīdim viņu neinteresēja fizika. Un tad notika viens no tiem liktenīgajiem negadījumiem, kas maina ne tikai cilvēka dzīves virzienu, bet galu galā arī zinātnes attīstības vektoru. Septītajā klasē zēns saslima un, lai pavadītu laiku, sāka lasīt visas grāmatas pēc kārtas. Starp tiem bija "Kas ir radio?" Kina, pēc kuras izlasīšanas skolēns nopietni interesējās par radiotehniku. Desmitās klases beigās, kad radās jautājums par augstskolas izvēli, viens no maniem draugiem minēja, ka Maskavas Universitātē tiek atvērta jauna fizikas un tehnoloģiju nodaļa, kurā bez citām specialitātēm ir arī radiofizika.

Maskavas Valsts universitātes Tehniskās fakultātes reflektantiem bija jāiztur deviņu eksāmenu “maratons”. Pašā pirmajā no tām - rakstītajā matemātikā - Veselago saņēma "divnieku"... Šodien viņš šo "apmulsumu" skaidro ar to, ka vienkārši apjuka, nonākot milzīgā auditorijā, kur burtiski jutās kā graudiņš. smiltis. Nākamajā dienā, kad viņš ieradās paņemt dokumentus, dekāna vietnieks Boriss Osipovičs Solonouts (kuru aiz muguras sauca vienkārši par BOS) ieteica viņam ierasties uz nākamo eksāmenu. Tā kā nebija ko zaudēt, jaunais vīrietis to arī izdarīja. Visus pārējos astoņus eksāmenus nokārtoju ar taisniem A un mani pieņēma. Vēlāk, pēc daudziem gadiem, izrādījās, ka šādu “lūzeru” bija diezgan daudz, un dekanāts nolēma pretendentus neizsijāt, pamatojoties uz pirmā eksāmena rezultātiem.

Pēc tam bija četri studiju gadi, ko Viktors Georgijevičs tagad sauc par savas dzīves laimīgāko laiku. Studentiem lekcijas lasīja tādi korifeji kā Pjotrs Leonidovičs Kapica, Ļevs Davidovičs Landau... Viktors Veselago vasaras praksi pavadīja radioastronomijas stacijā Krimā, kur tikās ar tās direktoru, FIAN darbinieku profesoru Semjonu Emanuiloviču Haikinu. Izrādījās, ka tieši viņš uzrakstīja pašu grāmatu “Kas ir radio?”, parakstot pseidonīmu Kīns.

1951. gadā tika slēgta Maskavas Valsts universitātes Fizikas un tehnoloģijas fakultāte - tā “izauga” par Maskavas Fizikas un tehnoloģijas institūtu, un bijušās Fizikas un tehnoloģiju fakultātes studenti tika izplatīti uz citām fakultātēm. Viktors Georgijevičs nokļuva Maskavas Valsts universitātes Fizikas fakultātē un formāli to pabeidza, taču uzskata sevi par Fizikas un tehnoloģiju institūta absolventu. Veselago aizstāvēja disertāciju pie Aleksandra Mihailoviča Prohorova Fizikas institūtā. P.N. Ļebedevs, kur viņš vēlāk turpināja strādāt viņa vadībā. Vispirms - FIAN un no 1982. gada līdz mūsdienām - Vispārējās fizikas institūtā, kas no tā atdalījās (IOFAN, kas tagad nes A.M. Prohorova vārdu).

"Solenoīda" konstrukcija

Lai iegūtu īpaši spēcīgus magnētiskos laukus, 60. gados Ļebedeva fiziskais institūts būvēja instalāciju ar nosaukumu “Solenoīds”. GIPRONII bija iesaistīts projektēšanā, bet Viktors Georgijevičs pats izstrādāja galvenos projekta elementus. Viņš joprojām uzskata, ka viens no viņa svarīgākajiem sasniegumiem līdzās zinātniskajiem bija uzbrauktuve, kas ļāva pirmajā stāvā ienest ratus ar smago aprīkojumu. Par instalācijas izveidi spēcīgu magnētisko lauku radīšanai Veselago kopā ar vairākiem Ļebedeva Fiziskā institūta un citu zinātnisko organizāciju darbiniekiem 1974. gadā saņēma Valsts balvu.

Pa kreisi un pa labi

60. gados Viktors Georgijevičs sāka interesēties par materiāliem, kas ir gan pusvadītāji, gan feromagnēti. 1967. gadā žurnālā Uspekhi Fizicheskikh Nauk (UFN) viņš publicēja rakstu "Vielu elektrodinamika ar vienlaikus negatīvām vērtībām ε un μ", kur pirmo reizi tika ieviests termins "vielas ar negatīvu refrakcijas indeksu n". tika aprakstītas to iespējamās īpašības.

Kā skaidroja zinātnieks, pusvadītāju īpašības raksturo ar vērtību epsilon (ε) - dielektriskā konstante, bet magnētiskās īpašības - ar vērtību mu (μ) - magnētiskā caurlaidība. Šie daudzumi parasti ir pozitīvi, lai gan ir zināmas vielas, kur ε ir negatīvs un μ ir pozitīvs, vai otrādi. Veselago prātoja: kas notiks, ja abi daudzumi būs negatīvi? No matemātiskā viedokļa tas ir iespējams, bet no fiziskā viedokļa? Viktors Georgijevičs parādīja, ka šāds stāvoklis nav pretrunā ar dabas likumiem, taču šādu materiālu elektrodinamika manāmi atšķiras no tām, kur un tajā pašā laikā ir lielāka par nulli. Pirmkārt, tas, ka tajos elektromagnētisko vibrāciju fāzes un grupu ātrumi ir vērsti dažādos virzienos (normālā vidē - vienā virzienā).

Materiālus ar negatīvu laušanas koeficientu Veselago sauca par “kreisajiem” un tos, kuriem ir pozitīvs laušanas koeficients, attiecīgi par “labo roku”, pamatojoties uz trīs vektoru relatīvo stāvokli, kas raksturo elektromagnētisko svārstību izplatīšanos. Refrakcija pie divu šādu mediju robežas notiek spoži attiecībā pret z asi.

Teorētiski pamatojis savas idejas, Viktors Georgijevičs mēģināja tās īstenot praksē, jo īpaši magnētiskajos pusvadītājos. Taču nepieciešamo materiālu nebija iespējams iegūt. Tikai 2000. gadā zinātnieku grupa no Kalifornijas Universitātes Sandjego ASV, izmantojot saliktu barotni, pierādīja, ka ir iespējama negatīva refrakcija. Viktora Veselago pētījumi ne tikai lika pamatus jaunam zinātnes virzienam (sk.: D. Pandry, D. Smith. In Search of a Superlens), bet arī ļāva precizēt dažas fizikālās formulas, kas apraksta vielu elektrodinamiku. Fakts ir tāds, ka vairākas mācību grāmatās sniegtās formulas ir piemērojamas tikai tā sauktajā nemagnētiskajā aproksimācijā, tas ir, ja magnētiskā caurlaidība ir vienāda ar vienotību, proti, īpašam nemagnētisku materiālu gadījumam. Bet vielām, kuru magnētiskā caurlaidība atšķiras no vienotības vai negatīvas, ir nepieciešami citi, vispārīgāki izteicieni. Norādīšanu uz šo apstākli Veselago uzskata arī par svarīgu sava darba rezultātu.

Solis nākotnē

Pēc pravietiskā raksta pētnieks, ievērojot principu mainīt tēmas ik pēc 5-6 gadiem, sāka interesēties par jaunām jomām: magnētiskajiem šķidrumiem, fotomagnētismu, supravadītspēju.

Kopumā, pēc viņa atmiņām, FIAN-IOFAN laikā viņš izgāja standarta “padomju zinātnieka” ceļu - no maģistrantūras līdz zinātņu doktoram, spēcīgu magnētisko lauku katedras vadītājam, ko 80. gadu beigās ietvēra ap 70 cilvēku, kas strādāja 5-7 dažādos virzienos. Faktiski katedra bija neliels institūts institūta ietvaros, kas šajā laikā sagatavoja vairāk nekā 30 zinātņu kandidātus.

Tagad Viktors Georgijevičs vada IOFAN spēcīgo magnētisko lauku nodaļas magnētisko materiālu laboratoriju. A. M. Prohorova. Par darbu sēriju “Mediju ar negatīvu laušanas koeficientu elektrodinamikas pamati” 2004. gadā apbalvots ar akadēmiķa V.A. Foka.

Viktors Georgijevičs vairāk nekā 40 gadus māca Maskavas Fizikas un tehnoloģiju institūtā. Tagad viņš ir Fizikas un enerģētikas problēmu fakultātes Lietišķās fizikas katedras profesors, pasniedz paša izveidoto kursu “Svārstību fizikas pamati”, kā arī vada seminārus un laboratorijas nodarbības Vispārējās fizikas katedrā.

V. G. Veselago pieder pie reta zinātnieka tipa, kuram raksturīgs zinātnisko interešu plašums. Viņš ir izcils teorētiķis un vienlaikus eksperimentāls fiziķis, inženieris, instalāciju ar spēcīgu magnētisko lauku projektētājs. Viņš ir arī talantīgs kā profesors, devis lielu ieguldījumu vispārējās fizikas mācīšanā MIPT un bijis daudzu studentu mentorings. Tieši šīs zinātnieka iezīmes padara Viktora Georgijeviča personību tik pievilcīgu.

Iebrukums globālajā tīmeklī

Pēdējo 15 gadu laikā fiziķis atkal ir mainījis, pareizāk sakot, paplašinājis savu interešu loku, kļūstot par divu tīkla projektu iniciatoru.

1993. gadā tika organizēts dienests Infomag, kas izplata zinātnieku vidū zinātnisko un tehnisko žurnālu satura rādītājus un ārvalstu zinātniskos elektroniskos biļetenus. Viss sākās ar to, ka IOFAN bija viens no pirmajiem, kas pieslēdzās internetam. Ieguvis savu pirmo e-pasta adresi, Veselago sāka interesēties par fizikas telekonferencēm un sāka saņemt biļetenu. Fizikas ziņu atjauninājums, ko viņš pārsūtīja saviem kolēģiem. Pēc tam viņš organizēja satura un citu zinātnisko žurnālu izplatīšanu. Pirmās publikācijas, kas sniedza informāciju pakalpojumam Infomag, bija Eksperimentālās un teorētiskās fizikas žurnāls (JETP), Vēstules JETP un Instrumenti un eksperimentālās metodes. Tagad sarakstā ir vairāk nekā 150 vienumi.

Infomag panākumi veicināja Veselago otrā “smadzeņu bērna” izveidi - Krievijas pirmo vairāku priekšmetu elektronisko zinātnisko žurnālu “Researched in Russia”, kas savu darbību sāka 1998. Tas tiek izdots tikai elektroniskā veidā, un tajā gadā tiek publicēti ap 250 rakstu gan no dabaszinātņu, gan humanitāro zinātņu jomām.

Pēc Viktora Georgijeviča domām, nepieciešamība pēc elektroniskām zinātniskām publikācijām Krievijā ir ļoti liela ne tikai kā neatkarīgas vienības, bet arī drukāto publikāciju tiešsaistes versiju ietvaros. Krievijā tiek izdoti vairāki simti akadēmisko zinātnisko un tehnisko žurnālu, taču lielākā daļa no tiem nav pieejami elektroniskā formātā, un tāpēc vietējiem speciālistiem nav operatīvas piekļuves kolēģu darba rezultātiem, kas traucē auglīgai un savlaicīgs dialogs starp zinātniekiem.