Новые свойства старых материалов

Шапка-невидимка, ещё недавно считавшаяся исключительно атрибутом волшебных сказок, привлекает всё более пристальное внимание серьёзных учёных. Ведь механизм, позволяющий сделать невидимым тот или иной объект, нашёл бы широкое применение не только в военной сфере. А уж про военную и говорить нечего! До сих пор физикам удалось разработать лишь технологию «стеллс», которая позволила американцам построить самолёты, невидимые для радиолокационных установок. Однако в диапазоне видимого света эти самолёты ничем не отличаются от всех прочих. И вот теперь группа физиков университета штата Мэриленд в Колледж-Парке объявила о том, что ей удалось сделать материальный объект невидимым в зелёном свете лазера. Руководитель этой группы – профессор Кристофер Дейвис (Christopher C. Davis) – честно признаётся, что и сам порой хотел бы быть невидимкой:

Ну конечно! Я думаю, каждый хоть раз в жизни мечтал стать невидимкой – или, скажем, уметь летать. Учёные тоже рассуждают о путешествиях во времени, незримости и невесомости. Некоторые из этих идей когда-нибудь станут реальностью!

Однако до этого пока ещё далеко. Дейвис хоть и изобрёл шапку-невидимку, но функционирует она только в двухмерном пространстве, на плоскости, да и её размеры составляют всего лишь нескольких сотых долей миллиметра. Конечно, это может показаться довольно бессмысленной затеей – прилагать усилия к тому, чтобы сделать невидимым объект, который в силу крайне малых размеров и так практически не виден. Однако мэрилендским физикам важно было, прежде всего, удостовериться в том, что их концепция в принципе работает. Концепция, которую они позаимствовали у Дейвида Копперфилда и других иллюзионистов. Кристофер Дейвис этого и не скрывает:

Это почти как старый трюк фокусников: использовать соответствующее освещение сцены и систему зеркал, расположенных таким образом, чтобы свет от задней части сцены достигал зрителей в обход стоящего на сцене человека. В результате зрители видят то, что находится за человеком, то, что он должен был бы собой заслонять. И это делает человека на сцене как бы невидимкой.

Кристофер Дейвис действует так же: он заставляет свет огибать объект, как вода в ручье омывает камень. Однако для достижения этого эффекта он использует не зеркала, а несколько концентрически расположенных на тончайшей золотой подложке миниатюрных колец из полиметилметакрилата – материала, более известного как акриловое стекло или оргстекло. Если посмотреть на всю эту конструкцию сверху в микроскоп, бросается в глаза сходство с многорядной круговой дорожной развязкой. Благодаря этим кольцам из оргстекла объект, помещённый в центре развязки – так сказать, на островке, – становится невидимым. Дело в том, что если лазерный луч определённой частоты падает на золотую фольгу под определённым углом, он как бы попадает в ловушку, оказывается пойманным на поверхности тонкой плёнки. Профессор Дейвис поясняет:

Свет продолжает распространяться по этому золотому слою. Однако когда он достигает полимерных колец, те направляют его по кругу в обход центра. А центр – это то самое место, которое мы хотим сделать невидимым. А на противоположной стороне свет продолжает распространяться по золотой плёнке в прежнем направлении. У наблюдателя создаётся впечатление, будто свет прошёл через центр насквозь. На самом же деле наблюдатель просто видит то, что находится позади расположенного в центре объекта.

Помимо физиков университета штата Мэриленд, проблемой создания таких шапок-невидимок занимаются и другие группы исследователей. Однако до сих пор их модели могли делать объекты невидимыми лишь в диапазоне микроволн – в отличие от установки профессора Дейвиса, работающей в видимом зелёном свете. Да и принцип её действия несколько отличается от тех эффектов, что положены в основу традиционных моделей. Профессор Дейвис прибегнул к помощи одной из разновидностей так называемых квазичастиц, то есть частиц, выдуманных учёными для удобства описания того или иного явления, в котором энергия ведёт себя как некая квантовая частица. В данном случае речь идёт о квазичастицах, получивших название «поверхностные плазмоны». Когда лазерный луч соответствующей частоты попадает на тонкую металлическую плёнку, электроны проводимости начинают синхронно колебаться, и эти колебания со скоростью света распространяются по поверхности плёнки. Это немного напоминает волны, разбегающиеся по воде от брошенного в неё камня. Такое переменное поле может быть описано как газ, состоящий из квантовых частиц, которые учёные и назвали поверхностными плазмонами – в отличие от объёмных плазмонов, описывающих колебания электронов проводимости внутри ионной решётки кристалла. Поверхностные плазмоны возникают тогда, когда возникновение объёмных плазмонов невозможно, а это зависит от частоты возбуждающего поля лазерного луча. Именно эту коллективную вибрацию зарядов на поверхности металлической фольги и использует профессор Дейвис в своей шапке-невидимке:

Эти плазмоны известны уже давно, но долгое время на них никто не обращал внимания. Лишь около десяти лет назад технологическое развитие достигло такого уровня, что появилась возможность наблюдать и использовать этот эффект. Сегодня он находит практическое применение в целом ряде областей. На рынке имеются, например, химические и биологические сенсоры на основе поверхностных плазмонов. Мы сами разработали особый микроскоп высокого разрешения, в котором также использован этот эффект.

Таким образом, поверхностные плазмоны не только способны делать объекты невидимыми, но и напротив, помогают разглядеть их более детально. Впрочем, создание шапки-невидимки представляется учёным всё же более увлекательной – или более насущной – задачей. Если уж не для видимого света, то хотя бы для магнитного поля. Именно такую цель поставили перед собой британские учёные, специализирующиеся на так называемых метаматериалах, то есть композитных материалах, физические свойства которых – как правило, весьма необычные, – определяются не столько свойствами составляющих их компонентов, сколько микроструктурой материала в целом. В качестве примера можно назвать уже упоминавшуюся сегодня технологию «стеллс» – она базируется на одном из метаматериалов. Другим примером могут служить метаматериалы, обладающие отрицательным показателем преломления света: собирающая линза из такого материала не фокусирует, а рассеивает свет. Композит, разработанный теперь группой физиков Имперского колледжа науки, техники и медицины в Лондоне, является самым сильным в мире диамагнетиком. Напомню, что диамагнетики – вещества, намагничивающиеся навстречу направлению внешнего магнитного поля. Созданный лондонскими учёными метаматериал представляет собой, на первый взгляд, стопку тонких стеклянных пластин с металлическим отливом. Общая толщина стопки составляет лишь несколько миллиметров. Но под микроскопом можно разглядеть сотни тончайших металлических пластинок, расположенных между стеклянными пластинами строго параллельно и на определённом расстоянии друг от друга. Они изготовлены из свинца, – говорит один из разработчиков – Бен Вуд (Ben Wood) – и поясняет:

Мы разместили сверхпроводящие металлические пластинки таким образом, чтобы они имитировали диамагнетик – то есть материал, вытесняющий магнитное поле. В природе диамагнетиков очень много, однако этот эффект, как правило, крайне мал. Каждый, наверное, видел фотографию живой лягушки, парящей в магнитном поле. Это явление именуется диамагнитной левитацией. Дело в том, что организм лягушки в значительной степени состоит из воды, а вода – диамагнетик. Но парить лягушка может только потому, что масса её тела очень мала – эффект слишком слаб, чтобы удержать в воздухе более тяжёлый предмет. А наш метаматериал в десятки тысяч раз более сильный диамагнетик, чем всё, что встречается в природе.

Бен Вуд вот уже три года работает под руководством профессора сэра Джона Пендри (John Pendry), ведущего в мире специалиста в области метаматериалов. Свою цель Вуд видит в том, чтобы создать материал с переменной магнитной проницаемостью, которая позволила бы регулировать степень диамагнетизма. Вуд начал экспериментировать со сверхпроводящими металлами:

В прошлом году мы рассчитали теоретически, какой структурой должен обладать искусственный диамагнетик на основе сверхпроводников. Теперь мы получили первые опытные результаты, и они подтверждают: наш материал обладает в точности теми самыми свойствами, которых мы от него ждали.

Правда, Вуд вынужден постоянно охлаждать образцы жидким гелием, чтобы поддерживать их в состоянии сверхпроводимости:

То, что происходит здесь на микроскопическом уровне, можно описать так: если какая-нибудь из этих сверхпроводящих пластин оказывается в постоянном внешнем магнитном поле, в ней начинает протекать слабый круговой ток, и в результате образуется магнитный момент, направленный навстречу внешнему полю и вытесняющий его. В результате это внешнее поле сохраняется только в зазорах между металлическими пластинами. Оно там как бы застревает. И чем плотнее друг к другу расположены пластины, тем сильнее вытесняется внешнее поле из композита в целом.

Иными словами, этот метаматериал действительно ведёт себя как диамагнетик с регулируемой магнитной проницаемостью. Такой композит может найти немало сфер применения. Например, экраны, исключающие проникновение постоянных магнитных полей в определённые помещения. Сегодня для этого используются магнитные материалы, существенно изменяющие то внешнее поле, от которого они должны защищать. Иногда это неприемлемо. Например, в ситуации, когда высокочувствительное электронное оборудование должно быть экранировано от магнитного поля, излучаемого ядерным магнитно-резонансным томографом, но само это поле должно оставаться строго гомогенным, иначе пострадает точность измерения – а с ней и точность диагностики. Эту задачу вполне могла бы решить защитная оболочка из нашего диамагнитного метаматериала, – говорит Бен Вуд:

Одна из наших целей состоит в создании магнитных шапок-невидимок. То есть материалов, которые магнитно экранировали бы те или иные зоны, но так, что снаружи это оставалось бы незаметным, поскольку никаких изменений внешнее поле не претерпевало бы.

Но до создания реально функционирующей магнитной шапки-невидимки ещё предстоит пройти долгий путь, и работы британских физиков – лишь первый шаг. Пока экран из диамагнитного метаматериала исправно выполняет свою функцию лишь при условии, что линии напряжённости внешнего магнитного поля расположены строго перпендикулярно к его поверхности. На практике такое условие почти невыполнимо.

А теперь – о том, как физики научно-исследовательской лаборатории компании «IBM» в Сан-Хосе, штат Калифорния, играют в бильярд атомами. Кием им при этом служит тончайшая игла, радиус острия которой составляет всего лишь несколько нанометров. Один из игроков – молодой немецкий исследователь Маркус Тернес (Markus Ternes) – говорит:

Инструмент, который мы для этого используем, называется сканирующий туннельный микроскоп. Важнейшим его компонентом является тонкая игла. Мы можем подвести эту иглу непосредственно к отдельному атому и таким образом его перемещать.

Сама по себе эта технология не нова. Сканирующий туннельный микроскоп был изобретён Гердом Биннингом (Gerd Binning) и Гейнрихом Рорером (Heinrich Rohrer), сотрудниками научно-исследовательской лаборатории компании «IBM» в Цюрихе, более четверти века назад. А в 1989-м году американскому физику Дону Эйглеру (Don Eigler), нынешнему научному руководителю Маркуса Тернеса, удалось с помощью подобного микроскопа разместить на поверхности 35 атомов ксенона таким образом, чтобы они образовали аббревиатуру «IBM». Конечно, это произвело сенсацию, но…

Принципиальный вопрос – какая сила необходима для того, чтобы произвести эту операцию – так и остался тогда без ответа. Лишь после того, как мы спарили этот сканирующий туннельный микроскоп с другим инструментом – сканирующим атомно-силовым микроскопом, – мы смогли вплотную подойти в ответу на этот вопрос.

Изрядно упрощая, можно сказать, что Тернес и его коллеги разместили на кончике сканирующей иглы туннельного микроскопа своего рода миниатюрный и чрезвычайно чувствительный силомер, динамометр. Кстати, следует иметь в виду, что сравнение с игрой в бильярд всё же даёт лишь очень приблизительное представление о происходящих здесь процессах. Если атом подтолкнуть иглой, он не катится, как шар по гладкому столу, а вынужден преодолевать неровности, поскольку поверхность, по которой он перемещается, сама состоит из атомов. Более верным представляется сравнение этого процесса с перемещением мяча для игры в гольф по картонным ячейкам для куриных яиц. Маркус Тернес поясняет:

Мы видим, в какой именно момент происходит это перемещение. А благодаря наличию сенсора-силомера мы можем теперь измерить необходимые для этого силы. Они чрезвычайно малы. Например, для перемещения одного атома кобальта по поверхности из меди нужно приложить силу в 17 пиконьютонов. Это одна миллионная часть одной миллионной части ньютона. А один ньютон – это примерно та сила, которая необходима для удержания плитки шоколада в гравитационном поле Земли.

Важно также, что атомы разных элементов на разных поверхностях ведут себя по-разному. Одни сдвигаются с места легко, другие нуждаются для этого в гораздо больших усилиях. Но именно это и представляет особый интерес с точки зрения будущего практического применения, – говорит Маркус Тернес:

Если задаться целью сконструировать некое устройство столь миниатюрных линейных размеров, то, конечно же, важно знать, какие атомы для этой цели годятся. Какие прочно закреплены, а какие мы можем легко передвинуть из точки А в точку Б.

Для будущих наномеханизмов нужны атомы обеих разновидностей – и те, что могут послужить основанием, и те, что образуют подвижные детали. Метод измерения, разработанный физиками «IBM», позволяет выяснить, какие атомы на какой поверхности оптимально подходят для каких конструкций. Во всяком случае, Маркус Тернес уже сегодня знает, что он собирается конструировать:

Мы хотим попытаться реализовать компьютерные вычисления и процессы накопления информации в наномасштабе. Для этого нам необходим этот инструмент. Компанию «IBM» чрезвычайно интересует вопрос, сколь малой может быть ячейка памяти.

Впрочем, этот вопрос интересует не только компанию «IBM», поскольку такие наноэлементы памяти – это рынок будущего, исчисляемый миллиардами евро.