Суперлинзы

Пт, 05/23/2014 - 22:07

ВЫДАЕМ ЖЕЛАЕМОЕ ЗА ДЕЙСТВИТЕЛЬНОЕ?

Опыты в UCSD наравне с новыми прогнозами, сделанными физиками о свойствах веществ, имеющих отрицательный показатель преломления, заинтересовали других ученых. В то время, когда Веселаго выдвинул собственную гипотезу, не существовало метаматериалов, и ученые не исследовали сам феномен отрицательного преломления тщательным образом. Теперь же они уделили им больше времени. Скептически настроенные эксперты спрашивали, не являются ли нарушением фундаментальных законов физики материалы, имеющие отрицательный показатель преломления. Если бы это действительно было так, стала бы сомнительной программа исследований.

Множество споров вызвал вопрос о скорости волны, движущейся в сложном материале. Максимальная скорость движения луча света в вакууме c = 300 тысяч км/с. Скорость света в веществе еще меньше, ее выражает следующая формула: v = c/n. При отрицательном значении n, интерпретируя известную формулу для скорости света, ясно, что луч света движется в обратном направлении.

Более полный ответ учитывает, что у волны 2 скорости: фазовая и групповая. Для осознания их смысла следует представить импульс света, который движется в определенной среде. Вид будет примерно такой: амплитуда волны увеличивается до своего пика в центре импульса и затем опять уменьшается. Фазовой скоростью называется скорость отдельных всплесков, групповой скоростью считают ту скорость, с которой двигается огибающая импульса. Они не всегда одинаковы.

В. Веселаго отметил, что в материале, имеющем отрицательный показатель преломления, фазовая и групповая скорости противоположно направлены: отдельные минимумы и максимумы двигаются назад, а весь импульс двигается вперед. Интересно было бы рассмотреть, каким будет поведение непрерывающегося пучка света от источника (к примеру, направленного от прожектора), который погружен в материал, имеющий отрицательный показатель преломления. Если бы мы наблюдали отдельные колебания волны, то увидели бы, что колебания возникают на объекте, который освещен лучом, передвигаются в обратном направлении и, в итоге, исчезают в источнике (прожекторе). Но энергия пучка света направлена в своем движении вперед, отдаляясь от источника света. Фактически в таком направлении движется и луч, несмотря на обратное движение некоторых его колебаний.

Осуществлять наблюдения отдельных колебаний световой волны тяжело на практике. Передаваемый импульс может быть весьма сложной формы, так что ученые-физики применяют довольно-таки изощренный прием для того, чтобы показать отличие фазовой и групповой скоростей. Когда 2 волны, длины которых различны, двигаются в 1 направлении, то интерферируют, складывается картина биений, их максимумы передвигаются с групповой скоростью.

Применяя такой метод к опыту UCSD по преломлению в 2002 году, Прашант Валанджу с коллегами из Техасского университета наблюдали любопытный факт. При преломлении на границе двух сред с положительным и отрицательным показателями преломления, 2 волны с различными длинами отклонялись на разные углы. В итоге получалась не такая картина биений, как у лучей, имеющих отрицательное преломление, а такая, как у лучей с положительным преломлением. При сравнении картин биений с групповой скоростью, техасские ученые сделали заключение, что любая осуществимая физически волна будет испытывать положительное преломление. Хоть вещество, имеющее отрицательный показатель преломления, могло бы на самом деле существовать, получение отрицательного преломления нереально...

По мере крушения доводов критиков возникло опытное подтверждение отрицательного преломления. Группа Минаса Таниэлиана в сиэтльской компании Boeing Phantom Works повторила опыт, проведенный UCSD с призмой, изготовленной из метаматериала, имеющего очень низкое поглощение. К тому же, датчик находился намного далее от призмы, чтоб поглощение метаматериала невозможно было спутать с отрицательным преломлением лучей. Благодаря этому исчезли сомнения в том, что отрицательное преломление существует вообще.

ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ

Когда сомнения рассеялись, пришло понимание, что история, рассказанная Веселаго, — это еще не последний рассказ о веществах, имеющих отрицательный показатель преломления. Ученый использовал метод геометрического построения лучей света, учитывая при этом преломление и отражение на границах разных материалов. Такой сильный прием поможет осознать, к примеру, почему объекты, находящиеся в бассейне, кажутся ближе к поверхности, чем есть на деле, почему карандаш, который на 1/2 погружен в жидкость, кажется изогнутым. Суть в том, что коэфициент преломления Н2О, равный 1,3, превышает показатель воздуха, и световые лучи на границе воздуха с водой преломляются.

Веселаго применял построение хода лучей света, чтобы спрогнозировать, что брус из материала, имеющего отрицательный показатель преломления (равный −1), будет служить в качестве линзы, имеющей уникальные свойства. Многие из нас знают о линзах, изготовленных из материалов, имеющих положительное преломление, — их используют в лупах, камерах, телескопах и микроскопах. Место, на котором происходит формирование изображения, зависит от того, как сочетается фокусное расстояние и расстояние между линзой и объектом. Изображения различаются размером от объектов, линзы лучше работают для объектов, которые лежат на оси, направленной через линзу. Линза, изготовленная Веселаго, отличается от обычной: ее принцип работы проще, она воздействует лишь на объекты, которые находятся возле нее, и переносит оптическое поле с первой стороны линзы на вторую.

Необыкновенные свойства линзы Веселаго настолько отличаются от обычных, что Джон Пендри заинтересовался: в какой степени совершенна ее работа? Какое ее предельное разрешение? Оптические элементы, имеющие положительный показатель преломления, ограничиваются дифракционным пределом — они позволяют разрешать элементы, у которых размеры равны или больше длине световой волны, которая отражена от объекта. Дифракция наложила окончательное ограничение на каждую систему создания изображения, как на объекте самого малого размера, который еще можно увидеть под микроскопом, так и на минимальное расстояние между 2 звездами, которое телескоп может разрешить. Дифракция определяет деталь минимального размера, которая может быть создана при оптической литографии во время производства микросхем. Таким же образом дифракция может ограничивать количество сохраняемой информации на цифровом диске (DVD). Метод для того, чтобы обойти дифракционный предел, может изменить технологии, позволяя проникать оптической литографии в наноразмеры и увеличивая в сотни раз объем информации, сохраняемой на оптическом диске.

Для определения, могла бы превзойти оптика, имеющая отрицательное преломление, обыкновенную (т. н. «положительную») оптику, нужно продвигаться далее рассмотрения хода световых лучей. Прежний подход пренебрег дифракцией, и потому его не следует применять, чтоб прогнозировать разрешение линз, имеющих отрицательное преломление. Для того чтобы рассматривать дифракцию, следует исходить из более четкого определения электромагнитного поля.

СУПЕРЛИНЗЫ

При четком описании электромагнитные волны из любого источника — радиоантенн, излучающих атомов либо пучка света, — после того, как они проходят через отверстие малого размера, создаются 2 различных типа полей: ближнее и дальнее поле. Дальнее поле, как следует из его названия, можно увидеть вдалеке от объекта. Его можно уловить линзой, сформировав изображение самого объекта. Увы, данное изображение отображает лишь весьма грубую картину целого объекта. В ближнем поле содержатся мелкие детали объекта, однако его интенсивность падает с ростом скорости при увеличении расстояния. Линзы, имеющие положительное преломление, не дают шансов перехватить очень слабое ближнее поле и передачу его информации в изображение. Но это не действительно для линз, имеющих отрицательное преломление.

При проведении подробных исследований взаимодействия ближних и дальних полей источника с линзой Веселаго, Джоном Пендри в 2000 году, к удивлению многих, было сделано заключение, что линза имеет возможность фокусирования ближних и дальних полей. Если б это заявление было правдиво, то линза Веселаго не подчинялась бы дифракционному пределу, в отличие от другой оптики, известной нам. Потому плоская структура, имеющая отрицательное преломление, была названа суперлинзой.

Проводя анализ, исследователи обнаружили, что разрешение суперлинзы ограничено качеством материала, имеющего отрицательное преломление. Для корректности оценки необходимо, чтоб показатель преломления n=−1, ε=−1 и μ=−1. У линзы, для которой такие условия невыполнимы, разрешение намного хуже. На самом деле условия равенства ε=−1 и μ=−1 представляются нам весьма серьезными требованиями. Но в 2004 году Э. Грбич и Дж. Элефтериадес из Университета в Торонто опытным путем установили, что метаматериал, который построен таким образом, чтобы соблюдались равенства μ =−1 и ε =−1 в диапазоне радиочастот, может разрешить объекты в меньшем, чем дифракционный предел, масштабе. Их выводы доказали, что суперлинза может быть создана, но возможно ли ее построить для волн с еще более короткой длиной волны?

Трудности в масштабировании метаматериалов в сферу оптических (более коротких) длин волн имеет 2 стороны. Во-первых, проводящие элементы из металла, которые образуют микросхемы метаматериала, типа колец с разрезом и проводников, необходимо уменьшить до нанометров, дабы они были меньше, чем 400-700 нм (длина волны видимого спектра света). К тому же, коротким длинам волн соответствуют более высокие частоты, а металлы на этих частотах имеют худшую проводимость. В 2005 году К. Соуколис из университета штата Айова и М. Вегенер из немецкого университета Карлсруэ опытным путем доказали, что можно создать кольца с разрезами, работающие при длине волн 1,5 микрометра. Несмотря на слабость резонанса при таких небольших длинах волн на магнитной компоненте поля, с этими элементами можно формировать метаматериалы.

Пока что мы не имеем возможности создать материал, приводящий к μ =−1 при длине волн видимого света. Однако компромисс вполне возможен. В том случае, если расстояние между изображением и объектом намного меньше длины волны, можно выполнить лишь условие ε =−1, значением μ при этом вполне можно пренебрегать. В 2010 г. группой Р. Блэйки из новозеландского университета Кентербери и группой К. Джанга из Калифорнийского университета, согласно этим требованиям, продемонстрировано независимо друг от друга в оптической системе СВЕРХРАЗРЕШЕНИЕ. Резонансы металла с оптическими длинами волн могут привести к диэлектрической постоянной (ε), имеющей отрицательные значения. По этой причине слой металла очень малой толщины при длине волны, когда ε =−1, может служить суперлинзой. Джанг и Блэйки применяли в своих экспериментах слой Ag, толщина которого составляла примерно 40 нанометров, для получения изображения пучков света, имеющих длину волны 365 нанометров. Их испускали сформированные отверстия меньших размеров, чем длина волны света. Хоть пленка, изготовленная из серебра, не похожа на идеальную линзу, суперлинза из серебра улучшила разрешение изображения, доказывая тем самым правомерность ключевого принципа работы суперлинзы.

ДАЛЕКО В БУДУЩЕЕ

Демонстрирование принципа работы суперлинзы — это последнее предсказанное учеными свойство веществ, имеющих отрицательное преломление. Их еще предстоит реализовать, это признак научного прогресса, который происходит в этой сфере. Возможности отрицательного преломления привели физиков к пересмотру всех понятий в электромагнетизме. Когда эти идеи осознают полностью, то и смысл ключевых оптических явлений (дифракционный предел разрешения, преломление) нужно пересматривать, учитывая новые факты, которые связаны с веществами, имеющими отрицательное преломление.

Свойства отрицательного преломления и метаматериалов все же, в конечном итоге, нужно научиться использовать. Этот шаг потребует совершенствовать конструкцию метаматериалов и выпускать их по оптимальной цене. В данной сфере сейчас работают несколько исследователей.

Другие материалы рубрики


  • Очевидные успехи в развитии науки и техники в XIX и ХХ веках вызвало в мировом общественном сознании некую эйфорию, уверенность в том, что человек стал властелином Природы, что его знания об устройстве окружающего Мира почти абсолютны, что человек может все. И действительно, изобретение в конце 18 века паровой машины существенно изменило жизнь общества, в значительной мере освободив его от утомительного физического труда, заложило основы современной промышленности и транспорта. Постулирование Исааком Ньютоном на рубеже 17 и 18 веков его трех принципов движения материальных тел и закона всемирного тяготения, создание начал дифференциального исчисления вызвало к жизни целый ряд научных открытий. Трудами нескольких поколений ученых в 18-19 столетиях была построена научная дисциплина, очертившая основы машиностроительной и технологической культуры нашей цивилизации, называемая сегодня теоретической механикой. Далее последовали фундаментальные открытия в области астрономии, физики, химии, получившие выход в различные области технических приложений — металлургию, строительство, транспорт, химическое производство, энергетику, судостроение, электротехнику, проводную и беспроводную связь, военное дело. Быстро развивались биология и медицина.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5


  • ...Состояние в сверхпроводнике 1-го рода, когда сверхпроводящие домены соседствуют в материале с нормальными областями, называется промежуточным. Такое состояние может возникать при значениях индукции приложенного поля, лежащих в интервале (1–D)Bc < B < Bc, где размагничивающий фактор D определяется формой образца. Интервал изменения размагничивающего фактора — от нуля (для длинного цилиндра или тонкой пластины в параллельном поле) до единицы (для плоскопараллельной пластины в случае, когда поле приложено перпендикулярно ее поверхности)...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6


  • ...Технология плазменных ускорителей развивается семимильными шагами. Многие принципиальные проблемы уже решены, но создание конкретных устройств пока сопряжено с серьезными трудностями. В частности, инженерам еще предстоит повысить эффективность ускорителя (долю энергии ведущего импульса, которая передается ускоряемым частицам), точность настройки пучков (в точке столкновения они должны быть выровнены с точностью до единиц нанометров) и частоту повторения рабочих циклов (количество импульсов, ускоряемых за единицу времени). Плазменные установки могут ускорять и более тяжелые частицы, например, протоны. Однако тут есть одно важное требование: вводимые частицы должны двигаться почти со скоростью света, чтобы не отстать от плазменной волны. Это означает, что энергия ускоряемых протонов должна быть не меньше нескольких ГэВ...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • В 1905 г. Альберт Эйнштейн предложил частную теорию относительности и опроверг представление о свете как о колебаниях гипотетической среды — эфира. Великий физик утверждал, что, в отличие от звуковых, световые волны могут распространяться в вакууме и для их существования не требуется какой-либо материальной среды. Это справедливо и в общей теории относительности, и в квантовой механике. Вплоть до сегодняшнего дня все экспериментальные данные в масштабах от субъядерного до галактического успешно объясняются названными теориями.
    Тем не менее существует серьезная концептуальная проблема: с позиций современной науки общая теория относительности и квантовая механика несовместимы. Гравитация, которую общая теория относительности приписывает искривлению пространственно-временного континуума, никак не вписывается в рамки квантовой механики. Физики сделали лишь небольшой шаг к пониманию сильно искривленной структуры пространства-времени, которая, согласно квантовой механике, должна наблюдаться на чрезвычайно малых расстояниях.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Известно, что в состав топлива входят такие горючие элементы, как углерод, водород и сера. Поэтому на основе предположения о том, что данные компоненты в топливе имеют вид смеси, можно осуществить подсчёт теплотворной способности данного топлива, как суммы компонентов смеси.



  • Научно-технический прогресс — один из главных рычагов создания материально-технической базы будущего нашей страны, который возможен только на основе своевременного внедрения достижений современной науки путем использования всего арсенала средств, способствующих его ускорению.
    Революционные изменения в технике, на основе обновленных знаний, происходят в последние десятилетия столь стремительно, что часто приходится только удивляться новинкам. Творчество вечно, но, к сожалению, технические идеи часто остаются невостребованными.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • ...Теории, которые пытаются объединить все четыре типа взаимодействия, называют «Универсальными теориями», «Теориями всего сущего» или «Теорией великого объединения». Если бы у нас была такая теория, то это бы означало, что человечеству удалось построить замкнутую физическую картину мира, она бы включала в себя все базовые принципы и законы мироздания, и во всей Вселенной уже не было бы того, что мы не можем понять и описать. Эта заветная цель современной физики пока еще далека от того, чтобы быть достигнутой, но уже сейчас делаются попытки построения таких теорий...

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Полное отсутствие проводов у электробытовых приборов и доступ к электроэнергии в любой точке земного шара без ограничений, в требуемом количестве — имея при себе лишь передатчик размером со спичечный коробок…

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Как родилась и эволюционирует наша Вселенная? Почему кольца Сатурна такие тонкие, но протяженные? Почему активность Солнца изменяется периодически с периодом около 11 лет? Что вызвало гибель динозавров? Отчего нас так пугают ослепительные вспышки молний, оглушительные удары грома, неистовые землетрясения, разбушевавшиеся вулканы? Отчего во время шторма возникает «девятый вал»? Почему цунами — столь грозная стихия? Почему рельеф снежных заносов волнистый? Почему у ягуара тело пятнистое, а хвост полосатый? И что объединяет эти совершенно не связанные между собой явления? Оказывается, все они — результат нелинейности.



  • ...В некоторых же отношениях электроны ведут себя подобно волнам. Человеческое воображение бессильно представить нечто такое, что может быть одновременно и волной, и частицей, но само по себе существование дуализма волна-частица, которая называется корпускулярно-волновым дуализмом, не вызывает сомнения. Так, объект, который обычно считают волной, обретает в микромире свойство частицы, например, световая волна, ведет себя подобно потоку частиц, выбивая электроны с поверхности металла (фотоэлектронный эффект). Частицы света называются фотонам, и физики относят их наряду с электронами и кварками к фундаментальным частицам. Наглядно представить волну-частицу невозможно, не стоит и пытаться, потому что в повседневной жизни нет ничего такого, что хотя бы отдаленно напоминало подобную нелепость...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5