Физики из Университета ИТМО, ФТИ им. А.Ф. Иоффе и Австралийского национального университета научились делать цилиндрические объекты полностью невидимыми в микроволновом диапазоне. Вопреки преобладающей концепции невидимости, основанной на использовании метаматериалов, ученые добились результата на однородном объекте без применения каких-либо переотражающих оболочек. Разработанный группой метод является новой вехой в понимании природы рассеяния электромагнитных волн. Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.

Ученые исследовали рассеяние света на стеклянном цилиндре, наполненном водой. По сути, такой эксперимент представляет собой двумерный аналог классической задачи рассеяния света сферической частицей (рассеяния Ми), решение которой известно уже на протяжении ста лет. Тем не менее, в этой классической задаче присутствует экзотическая физика, которая проявляется при высоких значениях коэффициента преломления материала. В качестве такого материала ученые использовали обычную воду, у которой коэффициент преломления регулируется путем изменения температуры.

Как оказалось, при высоком коэффициенте преломления можно выделить два механизма рассеяния: резонансный, связанный с локализацией света внутри цилиндра, и нерезонансный, имеющий плавную зависимость от частоты волны. Взаимодействие таких механизмов называется резонансом Фано. Ученые обнаружили, что волны, рассеянные через резонансный и нерезонансный механизмы, на определенных частотах имеют противоположные фазы и взаимно уничтожаются, делая объект невидимым.

Работа ученых, таким образом, позволила осуществить первое экспериментальное наблюдение феномена невидимости однородного объекта путем компенсации рассеяния. При этом разработанный метод позволял по желанию включать и выключать режим невидимости на одной и той же частоте в 1,9 ГГц, всего лишь меняя температуру воды в цилиндре с 90 градусов до 50.

«Наши теоретические расчеты полностью подтвердились в экспериментах в микроволновом диапазоне. Важно, что концепция невидимости, которую мы реализовали в нашей работе, может быть применена и в других диапазонах электромагнитного излучения, в том числе и в оптическом диапазоне. Материалы с соответствующим коэффициентом преломления, необходимые для этого, либо давно известны, либо могут быть разработаны», — рассказал пресс-службе Михаил Рыбин, первый автор статьи и старший научный сотрудник лаборатории «Метаматериалы» Университета ИТМО.

Расчеты рассеяния излучения от однородного...

Расчеты рассеяния излучения от однородного цилиндра. Показаны режимы видимости (a,e) x = 0.485, (c,g) x = 1.48 и режимы невидимости (b,f) xcloak = 0.505, (d,h) xcloak = 1.504 .

Обнаружение невидимости у однородного объекта, а не объекта, покрытого дополнительными оболочками, важно и с прикладной точки зрения. Поскольку изготовить однородный цилиндр заметно проще, открытие может послужить толчком в разработке наноантенн, где невидимые элементы конструкции могли бы сыграть большую роль в устранении помех. Например, из невидимых цилиндров можно создать несущие элементы миниатюрного антенного комплекса, который будет связывать два оптических чипа.

Тема невидимости приобрела особую актуальность в связи с развитием метаматериалов — искусственно созданных структур, обладающих оптическими свойствами, которые не встречаются в природе. Метаматериалы позволяют необычным образом менять направление лучей света, в том числе заставляя их огибать маскируемый объект. Тем не менее, маскирующие оболочки на основе метаматериалов — это сложные в производстве элементы, которые не позволяют практически реализовать многие другие концепции невидимости. Концепция, созданная учеными, основана на новом понимании процессов рассеяния и превосходит существующие в простоте реализации и эффективности.

Пресс-служба Университета ИТМО выражает благодарность Михаилу Рыбину за помощь в подготовке пресс-релиза.

Пресс-служба Университета ИТМО