ТЕПЛО И СВЕТ

Так возможно ли отрицательное преломление?

Явление преломления светового луча при прохождении через прозрачную среду изучают в средней школе. Обычные вещества, такие как оптическое стекло, отклоняют преломленный луч в плоскости падения в противоположную сторону от нормали к поверхности среды. У так называемого леворукого вещества показатель преломления отрицателен: падающий и преломленный лучи лежат по одну сторону от нормали. Джон Пендри (John Pendry) из лондонского Имперского колледжа считает, что идеальный слой такого материала представляет собой совершенную линзу, формирующую изображение, детальность которого лежит за так называемым дифракционным пределом обычных линз.

Показатель преломления определяется диэлектрической и магнитной проницаемостью вещества. В 60-х гг. прошлого века советский физик Виктор Веселаго отметил, что в среде, у которой обе эти величины отрицательны, показатель преломления также будет отрицательным. В веществе с отрицательным показателем преломления (ВОП) гребни и впадины электромагнитных волн будут двигаться назад, хотя энергия волны будет продолжать распространяться вперед. При этом будут наблюдаться чрезвычайно странные явления. Например, обращение эффекта Доплера: движение к источнику излучения будет сопровождаться красным, а не фиолетовым смещением.

Многие среды, в том числе плазма и металлы, имеют отрицательную диэлектрическую проницаемость, но в природе нет веществ с отрицательной магнитной проницаемостью. Группа ученых из Калифорнийского университета под руководством Дэвида Смита (David Smith) продемонстрировала метавещество, якобы имеющее отрицательную диэлектрическую и магнитную проницаемость в узкой полосе СВЧ-диапазона. Оно представляет собой совокупность медных колечек и проволочек. Проходя через небольшую призму из метавещества и через такую же призму из тефлона (который прозрачен для радиоизлучения, как обычное стекло для видимого света), электромагнитные волны отклоняются в разные стороны.

Но не все согласны с тем, что наблюдаемый эффект объясняется отрицательным преломлением. Николас Гарсия (Nicolas Garcia) и Мануэль Нието-Весперинас (Manuel Nieto-Vesperinas) из Национального научно-исследовательского совета Испании заявили, что толстое основание призмы просто поглощает больше радиоволн. Они поставили опыт с тонким золотым клином в видимом свете и добились тех же результатов без всякого отрицательного преломления. Смит, однако, считает, что клин из золота характеризуется на несколько порядков большим поглощением, чем метавещество, и поэтому испанцам не удалось воспроизвести его эксперимент.

Примерно в то же время Прашант Валанджу (Prashant Valanju) из Техасского университета опубликовал статью, в которой отметил, что волновые фронты в средах с отрицательным и положительным преломлением выстроены одинаково – что-либо иное противоречит основному принципу причинности и требует, чтобы часть волны распространялась с бесконечной скоростью. Кроме того, любая отрицательно преломленная волна немедленно размазалась бы на протяжении всего нескольких длин волн из-за дисперсии, которая, по мнению Валанджу, в отрицательно преломляющей среде выражена гораздо сильнее, чем в обычной.

Смит и Пендри согласны, что волновые фронты выстроены именно так, как утверждает Валанджу, но продолжают утверждать, что волны, тем не менее, распространяются в направлении, соответствующем отрицательному преломлению. Что же касается дисперсии, то Смит заявляет, что ВОП ничем не хуже, чем обычное вещество, и в пределах узкой, но доступной для использования полосы частот отрицательное преломление все же существует. В самом деле, результаты калифорнийских ученых получили некоторое подтверждение: группа из Boeing’s Phantomworks успешно повторила эксперимент с призмой для 30 диапазонов длин волн.

Вопрос о совершенном изображении куда менее ясен. В одних статьях утверждается, что поглощение и дисперсия полностью подавят эффект. В других говорится, что хотя создать совершенный слой нельзя, изображение более детальное, чем допускает дифракционный предел, получить можно. При этом формулируется ряд строгих условий, которым должно удовлетворять метавещество. Пендри предположил, что чередование тонких слоев ВОП с вакуумом позволит существенно улучшить фокусировку.

Исследование эффекта сверхизображения продолжается. Однако, судя по предыстории, результаты экспериментов уже не в силах убедить оппонентов.

Оригинал - www.sciam.ru