Шапка-невидимка впервые скрыла от человека крупный объект
Учёные в первый раз сделали невидимым объект, что возможно рассмотреть невооружённым глазом: обращение о миллиметрах а также сантиметрах. Прошлые опыты ограничивались нано- и микромасштабом или заставляли исчезать предметы только в части видимого диапазона.
В этом случае две свободные группы исследователей из Англии, Дании, Сингапура и США рапортуют о том, что при помощи природного вещества им удалось запрятать от людской глаза трёхмерные объекты, размеры которых на три-четыре порядка больше длины волны видимого света.
Ранее световые волны запутывали сложными конструкциями. Сейчас учёным не было нужно городить огород из наноразмерных слоёв, применять сфокусированный ионный пучок, электронно-лучевую либо многофотонную литографию, другими словами прибегать к процессам, каковые отнимают массу времени и делают конечный продукт дорогостоящим.
Принцип работы «шапки» либо «плаща-невидимки» был в теории предложен ещё в 2006 году: необходимо создать иллюзию, дабы с любого угла обзора деформированное зеркало смотрелось плоским.На этом рисунке продемонстрирован движение луча при отражении от (a) плоской поверхности, (b) клина – изменяется угол, © отражающей поверхности, расположенной поверх клина, – изменяется расстояние, (d) «шапки-невидимки», покрывающей клин, – расстояние и угол те же, появляется иллюзия (иллюстрация Baile Zhang et al.).
В этих работах объект и прячущая его «шапка-невидимка» не являются единой структурой, что разрешает в любую секунду отделить «чудесный» материал и прикрыть им второй сопоставимый по форме объект. Преимущества для того чтобы подхода очевидны.
Кальцит прозрачен для видимого света, а потому не владеет классическим недочётом метаматериалов – поглощением большей части инфракрасного и видимого света.Двоякопреломляющие (birefringence) одноосные кристаллы владеют двумя показателями преломления: 1,66 и 1,49 соответственно (при длине волны 590 нанометров). Из-за таких особенностей проходящее через кальцит изображение словно бы бы двоится (фото Adrian Pingstone/Wikipedia).
Храбрецами обеих работ стали кристаллы кальцита. Учёные склеили между собой два куска прозрачного минерала, дабы скорректировать движение светового луча как на входе, так и на выходе. И в том и другом случае под кристаллом прятали похожий на двойной клин объект.
Первой группой физиков руководил Шуан Чжан (Shuang Zhang) из университета Бирмингема. Ему ассистировал физик Джон Пендри (John Pendry) из Имперского колледжа Лондона, являющийся одним из авторов работы по той же теме примера 2006 года.
Траектории световых лучей, падающих на клин и плоскую поверхность под углами 45° и 15°, в присутствии «шапки-невидимки» и без неё (не продемонстрировано преломление лучей в кристаллов). В первых двух случаях (a, b) не происходит рассеяния света, он отражается словно бы от плоской поверхности (иллюстрация Shuang Zhang et al.).
Сперва учёные сделали теоретические выкладки, убедившись, что под кальцитом возможно запрятать объект высотой пара сантиметров. Физики рассчитывали совершить опыт на длине волны 590 нанометров. Но процесс создания призмы внёс собственные коррективы: геометрические параметры изделия отличались от предусмотренных дизайном, а потому эффект скрытия оптимальнеепроявился при λ = 532 нм (зелёный свет).
Схема опыта (a), и изображения, полученные с применением зелёного (? = 532 нм) и красного (650 нм) лазеров. Учёные отмечают, что кроме того без применения железной фольги на «дне» призмы световые лучи претерпевают полное внутреннее отражение в широком диапазоне углов падения.Дабы лучше осознать, что происходит с лазерными лучами, исследователи поставили на их пути маску в виде стрелки (иллюстрация и фото Shuang Zhang et al.).
В опыте на пути лазерного луча поставили линейный поляризатор, что пропускал или поперечные электрические (TE), или поперечные магнитные ™ волны. Первые были собственного рода контрольной группой, которая показывала картину, формирующуюся в отсутствие результата скрытия.
На слайде b (картина выше) продемонстрировано отражение луча от простого плоского зеркала (как эталон). Как и положено, стрелка перевернулась в другую сторону.
Так как нижняя поверхность призмы из кристаллов представляет собой две плоскости, расходящиеся приблизительно на 10°, TE-поляризованный луч, отражаясь от обеих, расходится на два пучка. В следствии на экране, удалённом от «шапки-невидимки» на 18 сантиметров, отпечатываются две половинки стрелки, разнесённые в пространстве на большое расстояние. Это прекрасно видно на слайде c.
Учёные продемонстрировали, что на границе между кристаллами отражения нет. По крайней мере, при двух анизотропных кристаллов с оптическими осями, расположенными под одним углом к плоскости соединения. Отражение от границы раздела «кристалл – окружающяя среда» существует, но его возможно нивелировать, в случае если создать на поверхности наноструктуры.
Тогда и сама «шапка-невидимка» провалится сквозь землю (иллюстрация Shuang Zhang et al.).
Одвременно с этим TM-поляризованный луч проходит через призму как ни в чём не бывало, словно бы отражается от её плоского основания (слайд d). Маленькая узкая полоса посередине – итог рассеяния света на вершине треугольного клина (неидеальное выравнивание двух кристаллов относительно друг друга).
Учёные показали работу «шапки-невидимки» для трёх углов падения (39,5°, 64,5°, 88° — слайды e, f, g) и сделали вывод, что призма из кристаллов будет трудиться в широком диапазоне углов.
На слайде h продемонстрирована фотография, полученная при прохождении через призму красного лазерного луча. Ниже: отражение от плоской поверхности. Опять видно, что TE-лучи расходятся значительно посильнее TM-лучей («трещина» в центре образовывает 2 мм).
Физики кроме этого отразили в кристаллах алфавит (белые буквы на тёмном фоне). Наряду с этим нижнюю поверхность покрыли слоями титана (2 нм), серебра (200 нм) и золота (50 нм): так свет отражался при всех углах падения.В следствии TE-лучи (внизу слева) «продемонстрировали» сведённое изображение букв (CDRSTU) – эффект искривлённого зеркала.
А TM-лучи (внизу справа) передали на камеру последовательность букв от H до L – как словно бы нижняя зеркальная поверхность была плоской. Цветные края букв говорят о разложении белого света на составляющие и о работе «шапки-невидимки» во всём видимом диапазоне (иллюстрация и фото Shuang Zhang et al.).
Вторая несколько учёных под управлением Бэйле Чжана (Baile Zhang) из сингапурского центра SMART теоретизировала меньше и создала трапециевидную «шапку-невидимку». Всю конструкцию поместили в воду.
Тёмный скрывающий «кирпич» поверх зеркала и клина. Жёлтыми прерывистыми стрелками продемонстрированы оптические оси кристаллов.
Для зелёного света лазера показатель преломления для магнитной составляющей n1 = 1,48, а для электрической n2 = 1,66. Другие показатели: ? = 66°, ? = 6°, ? = 37,5°, w = 10 мм, h1 = 14,5 мм, h2 = 2 мм, s = 38 мм (иллюстрация Baile Zhang et al.).
Передняя, наблюдающая на зрителя, и задняя части «кирпича», и его верх были окрашены тёмной краской, это покрытие поглощало рассеянный свет. Нижняя поверхность «шапки-невидимки» покрыта серебром. Стороны, наблюдающие на камеру и лазер (через них проходил свет), были шепетильно отполированы.
Схема опыта второй группы. На левую «входящую» сторону бачка с прозрачной бесцветной жидкостью нанесён перевёрнутый шаблон MIT: буква M попадает на клин, а IT отражаются от зеркала.
Камера принимает изображение с правой «выходящей» стороны. Угол падения (?) равен 18° (иллюстрация Baile Zhang et al.).
Внизу под склеенными кристаллами было сделано отверстие – в него идеально входил металлической клин, что и планировали прятать. Учёные продемонстрировали, что классическая тройка (красный, зелёный, светло синий свет) «не видит» данный объект.
Тут продемонстрированы изображения, полученные в присутствие одного клина (a), плоскости, помещённой поверх клина (b), в то время, когда клин скрыт кальцитовой «шапкой-невидимкой» (c). В любых ситуациях на трафарет светил зелёный лазер (? = 561 нм). На картинках d, e продемонстрированы фотографии, сделанные при освещении синим (488 нм) и красным (650 нм) лазером, клин скрыт кристаллами кальцита.
Шкалы отражают интенсивность излучения в условных единицах (фото Baile Zhang et al.).
«Я думаю, правительственным организациям будет занимательна отечественная работа. Так как с её помощью возможно делать невидимыми объекты, расположенные на морском дне. Не смотря на то, что для каких целей она сможет им понадобиться, пока сказать рано», — говорит один из авторов второй публикации Джордж Барбастатис из SMART.
Добавим, что нынешние работы практически протоптали дорожку для будущих изучений в данной многообещающей области. Так как несложную разработку легко повторить и сделать обширно распространённой. Этому в частности содействует то, что кальцит – недорогой и несложный в производстве материал.
Update: Статья, посвящённая первой работе, была размещена в издании Physical Review Letters, а второй — в Nature Communications. На снимке: под «шапкой-невидимкой» исчезает лента из розовой бумаги (фото Baile Zhang, G. Barbastathis/SMART Centre).
