Созданы невидимые объекты в СВЧ-диапазоне без маскировки метаматериалом

10 июля 2015 г., 15:05

Физикам из Университета ИТМО, Института Йоффе и Австралийского национального университета удалось сделать однородные цилиндрические объекты полностью невидимыми в микроволновом диапазоне. Вопреки сложившемуся ныне понятию невидимости, которое опирается на покрытия из метаматериала, ученые добились результата, используя однородный объект без каких-либо дополнительных слоев покрытия. Метод основан на новом понимании электромагнитных волн. Результаты исследования были опубликованы в Scientific Reports.

Ученые изучили рассеяние света от стеклянного цилиндра, заполненного водой. В сущности, такой эксперимент представляет собой двумерный аналог классической задачи рассеяния на однородной сфере (рассеяния Ми), решение которой известно на протяжении почти столетия. Тем не менее, эта классическая задача содержит необычную физику, которая проявляется, когда участвуют материалы с высокими значениями коэффициента преломления. В исследовании ученые использовали обычную воду, показатель преломления которой можно регулировать путем изменения температуры.

Как выяснилось, высокий коэффициент преломления связан с двумя механизмами рассеяния: резонансное рассеяние, которое связано с локализацией света внутри цилиндра, и нерезонансное, которое характеризуется плавной зависимостью от частоты волны. Взаимодействие между этими механизмами называют резонансами Фано. Исследователи обнаружили, что при определенных частотах волны, рассеянные с помощью резонансных и нерезонансных механизмов, имеют противоположные фазы и взаимно уничтожаются, что делает объект невидимым.

Работа привела к первым экспериментальным наблюдениям невидимого однородного тела с помощью гасящего рассеяния. Важно отметить, что разработанный метод дал возможность перейти от видимости к невидимости режимов на той же частоте 1,9 ГГц простым изменением температуры воды в цилиндре от 90 °С до 50 °С.

«Наши теоретические расчеты были успешно испытаны в СВЧ-экспериментах. Важно то, что идея невидимости, которую мы реализовали в нашей работе, может быть применена к другим диапазонам электромагнитных волн, в том числе, к видимому диапазону. Материалы с соответствующими коэффициентами преломления либо давно известны, либо могут быть разработаны при желании», - сказал Михаил Рыбин, первый автор статьи и старший научный сотрудник в лаборатории метаматериалов в Университете ИТМО.

Открытие явления невидимости однородного объекта, а не объекта, покрытого дополнительными слоями, также важно с инженерной точки зрения. Поскольку получить однородный цилиндр гораздо проще, открытие может подсказать дальнейшее развитие наноантенн, где невидимые структурные элементы могут помочь уменьшить помехи. Например, невидимые стержни могут быть использованы в качестве опор для миниатюрного антенного комплекса, соединяющего два оптических чипа.

Явление невидимости получило известность с развитием метаматериалов – искусственно разработанных структур с оптическими свойствами, которые не встречаются в природе. Метаматериалы способны изменить направление света экзотическим способом, в том числе, заставить свет огибать замаскированный объект. Тем не менее, покрывающие слои на основе метаматериалов чрезвычайно трудно изготовить, и они не совместимы со многими другими идеями невидимости. Метод, разработанный группой, базируется на новом понимании процессов рассеяния и опережает существующие по простоте и экономичности.

Созданы невидимые объекты в СВЧ-диапазоне без маскировки метаматериалом