Новое слово в науке: метаматериал

21 ноября 2013 г.

Любую сложную задачу проще решить, если привлечь для этого команду специалистов, поручив каждому делать то, что он лучше всего умеет. Такой правильно подобранный коллектив благодаря слаженному взаимодействию его членов способен совершить то, что не под силу одиночке. Интересно, что этот принцип работает не только в рабочей группе. Он справедлив и при создании новых физических материалов.

Представьте себе, что мы хотим получить какой-либо материал, обладающий свойствами, недостижимыми для природных соединений. Например, мы собираемся создать маскирующую систему, благодаря которой можно будет делать объекты невидимыми. Как известно, материал для такой шапки-невидимки должен обладать отрицательным коэффициентом преломления. Теоретическая возможность существования подобного материала была показана еще в работах советского физика Владимира Веселаго в шестидесятых годах прошлого века. Для того, чтобы материал обладал отрицательным коэффициентом преломления для электромагнитного излучения определенного частотного диапазона, отрицательными должны быть значения двух его фундаментальных физических характеристик: диэлектрической и магнитной проницаемостей в этом диапазоне. К сожалению, в природе не существует объектов, у которых обе эти характеристики были бы одновременно отрицательны. Однако благодаря развитию нанотехнологий стало возможным объединить в периодическую структуру элементы, обладающие по отдельности отрицательной магнитной и диэлектрической проницаемостями. Это было сделано в 2000 году американскими исследователями под руководством Дэвида Смита. В результате был получен материал с отрицательным коэффициентом преломления в СВЧ диапазоне. Один из членов команды Смита дал полученному объекту название «метаматериал». Приставка «мета» переводится с греческого языка как «сверх» и обозначает, что созданный материал обладает «сверхсвойствами».

Сейчас метаматериалами называют искусственно созданные из макроскопических «атомов» материалы, которые не только наследуют свойства составляющих их элементов, но и демонстрируют новые физические свойства, возникающие как результат определенного расположения и взаимодействия составляющих метаматериал «атомов». Термин «метаматериалы» особенно часто применяют по отношению к композитам, которые демонстрируют свойства, нехарактерные для объектов, встречающихся в природе. В этом плане отрицательный коэффициент преломления хотя и очень привлекательное, но далеко не единственное замечательное свойство, которое можно воспроизвести в метаматериале.

Однако создатели метаматериалов довольно быстро столкнулись с весьма серьезными ограничениями. Например, для того, чтобы электромагнитный метаматериал был удобен для практического применения в области высоких частот, необходимо было уменьшить размеры составляющих его «атомов», что немедленно приводило к серьезным энергетическим потерям, связанным с наличием сопротивления у составляющих его элементов. И тут на помощь пришли сверхпроводники – замечательные объекты с нулевым сопротивлением при определенных температурах, а значит, и с отсутствием энергетических потерь при взаимодействии с электромагнитным полем. Так появились сверхпроводящие метаматериалы, в которых в качестве составляющих их «атомов» выступают, например, джозефсоновские контакты.

Джозефсоновский контакт – это структура, состоящая из двух слоев сверхпроводника, между которыми находится тонкий слой диэлектрика. Такая система замечательна тем, что способна без сопротивления проводить ток, меньший некоторой критической величины, а при приложении к ней тока, больше критического, генерирует электромагнитное излучение определенной частоты. За предсказание этих эффектов английский физик Брайан Джозефсон был удостоен Нобелевской премии. Предсказанные свойства джозефсоновских контактов были подтверждены экспериментально и активно используются при создании различных физических приборов.

Помимо уже названного преимущества – практически, нулевых энергетических потерь – сверхпроводящие метаматериалы обладают и еще одним интереснейшим свойством. Такие системы способны работать в, так называемом, терагерцовом диапазоне, то есть, на частотах излучения, находящихся между инфракрасным (частота излучения живых клеток) и субмиллиме- тровым (радары) диапазонами. Почему это так важно? Терагерцовое излучение или Т-лучи, как его сейчас называют, обладает достаточно высокой проникающей способностью. Для него прозрачны, например, бумага, керамика, одежда, каменная кладка, пластик. И к тому же оно не является ионизирующим, а значит, безопасно для живых организмов. Приборы, работающие в терагерцовом диапазоне, используются в медицине для ранней нетравматичной диагностики, например, опухолей кожи. Включенные в систему безопасности, терагерцовые детекторы позволяют «увидеть» такие потенциально опасные объекты, как пластиковое оружие, некоторые виды взрывчатых веществ, не обнаруживаемые обычными рентгеновскими датчиками. Используется терагерцовое излучение и для неразрушающего контроля качества различной продукции и определения состава веществ, применяется в астрофизике и космической индустрии, а также в других важных областях нашей жизни. Однако источники и детекторы терагерцового излучения в настоящее время представляют собой довольно громоздкие и дорогостоящие устройства. Развитие технологий создания сверхпроводящих метаматериалов может решить проблему компактности и удобства использования таких приборов. Учитывая особую актуальность и значимость исследований в этой сфере, Правительство РФ в 2011 году выделило на них средства в рамках программы мегагрантов. Проект под названием «Сверхпрводящие метаматериалы» реализуется сейчас на базе НИТУ МИСиС, где создана специальная лаборатория под руководством профессора Технологического института г. Карлсруэ А.В. Устинова.

Помимо интенсивных экспериментальных исследований большое значение приобретает также теоретическое изучение свойств сверхпроводящих метаматериалов и компьютерное моделирование процессов, происходящих в этих системах. Это позволит наметить новые направления дальнейших исследований и сэкономить время и средства экспериментаторов. Такие работы успешно проводятся и в ПИЯФ НИЦ «Курчатовский институт». Сотрудниками Сектора теории конденсированного состояния Отделения теоретической физики в настоящее время изучается возможность получения когерентного терагерцового излучения в системе, представляющей собой неупорядоченную решетку взаимодействующих джозефсоновских контактов. Нашими учеными уже получены интересные результаты, которые могут быть очень важны в будущем для создания генераторов и приемников терагерцового излучения.

Наталья САВИЦКАЯ, доктор физ.-мат. наук

Гатчинская правда, № 123 (20417) от 29 октября

Читайте также