Страница:
Метаматериалы для видимого света
Итак, гонка началась.
Сразу же после объявления о получении в лаборатории первых метаматериалов в этой области началась лихорадочная активность. Каждые несколько месяцев мы слышим о революционных догадках и поразительных прорывах. Цель ясна: создать при помощи нанотехнологий метаматериалы, способные искривлять не только микроволны, но и видимый свет. Уже предложены несколько подходов, и все они представляются достаточно перспективными.
Одно из предложений заключается в том, чтобы использовать готовые методы, т. е. позаимствовать для производства метаматериалов отработанные технологии микроэлектронной промышленности. К примеру, в основе миниатюризации компьютеров лежит технология «фотолитографии»; она же служит двигателем компьютерной революции. Эта технология позволяет инженерам размещать на кремниевой подложке размером с ноготь большого пальца сотни миллионов крохотных транзисторов.
Мощность компьютеров удваивается каждые 18 месяцев (эту закономерность называют законом Мура). Происходит это благодаря тому, что ученые при помощи ультрафиолетового излучения «вытравливают» на кремниевых чипах все более и более крохотные компоненты. Эта технология очень напоминает процесс, при помощи которого наносят по трафарету рисунок на цветастую футболку. (Инженеры-компьютерщики начинают с тонкой подложки, на которую сверху накладываются тончайшие слои различных материалов. Затем подложка накрывается пластиковой маской, работающей как шаблон. На маску заранее наносится сложный рисунок проводников, транзисторов и компьютерных компонентов, составляющих основу принципиальной схемы. Заготовку облучают жестким ультрафиолетом, т. е. подвергают действию ультрафиолетового излучения с очень малой длиной волны; это излучение как бы переносит рисунок матрицы на светочувствительную подложку. Затем заготовку обрабатывают специальными газами и кислотами, и сложная схема матрицы вытравливается на подложке в тех местах, где она подвергалась действию ультрафиолетового излучения. В результате этого процесса получается пластинка с сотнями миллионов крошечных углублений, которые и образуют контуры транзисторов.) В настоящее время самые мелкие компоненты, которые удается создать при помощи описанного процесса, имеют размер около 30 нм (или примерно 150 атомов).
Заметной вехой на пути к невидимости стал недавний эксперимент группы ученых из Германии и Министерства энергетики США, в котором процесс травления кремниевой подложки удалось использовать для изготовления первого метаматериала, способного работать в видимом диапазоне света. В начале 2007 г. ученые объявили, что созданный ими метаматериал оказывает воздействие на красный свет. «Невозможное» было реализовано в удивительно короткие сроки.
Физик Костас Сукулис из Лаборатории Эймса и Университета штата Айова вместе со Стефаном Линденом, Мартином Вегенером и Гуннаром Доллингом из Университета Карлсруэ в Германии сумели создать метаматериал с показателем преломления –0,6 для красного света с длиной волны 780 нм. (До этого мировой рекорд длины волны излучения, которое удалось «завернуть» при помощи метаматериала, составлял 1400 нм; это уже не видимый, а инфракрасный свет.)
Для начала ученые взяли лист стекла и нанесли на него тонкий слой серебра, затем слой фторида магния, затем снова слой серебра; таким образом, был получен «сэндвич» с фторидом толщиной всего 100 нм. После этого ученые при помощи стандартной технологии травления проделали в этом «сэндвиче» множество крохотных квадратных отверстий (шириной всего 100 нм, гораздо меньше длины волны красного света); в результате получилась решетчатая структура, напоминающая рыбацкую сеть. Затем они пропустили через полученный материал луч красного света и измерили показатель преломления, который составил –0,6.
Авторы предвидят, что изобретенная ими технология найдет широкое применение. Метаматериалы «могут когда-нибудь привести к созданию своего рода плоской суперлинзы, работающей в видимой части спектра, – говорит д-р Сукулис. – более высокое разрешение по сравнению с традиционной технологией и различать детали, значительно уступающие по размерам длине световой волны». Очевидно, одним из первых приложений «суперлинзы» станет фотографирование микроскопических объектов с беспрецедентной четкостью; речь может идти о фотографировании внутри живой человеческой клетки или о диагностике заболеваний плода в чреве матери. В идеале появится возможность сфотографировать компоненты молекулы ДНК непосредственно, без применения грубых методов рентгеновской кристаллографии.
Пока ученым удалось продемонстрировать отрицательный показатель преломления только для красного света. Но метод надо развивать, и следующим шагом должно стать создание метаматериала, который мог бы полностью обвести красный луч вокруг объекта, сделав его невидимым для красного света.
Дальнейшее развитие можно ожидать также в области «фотонных кристаллов». Цель технологии фотонных кристаллов – создать чип, который использовал бы для обработки информации свет, а не электричество. Предполагается применить нанотехнологии для вытравливания на подложке крошечных компонентов – так, чтобы с каждым компонентом изменялся показатель преломления. Транзисторы, в которых работает свет, имеют немало преимуществ перед электронными. К примеру, в фотонных кристаллах значительно меньше тепловые потери. (В сложных кремниевых чипах выделяется столько тепла, что хватило бы поджарить яичницу. Чтобы такие чипы не отказывали, их необходимо непрерывно охлаждать, а это очень дорого.)
Нет ничего удивительного в том, что технология получения фотонных кристаллов должна идеально подойти для метаматериалов, – ведь обе технологии предполагают манипулирование показателем преломления света на наноуровне.
Сразу же после объявления о получении в лаборатории первых метаматериалов в этой области началась лихорадочная активность. Каждые несколько месяцев мы слышим о революционных догадках и поразительных прорывах. Цель ясна: создать при помощи нанотехнологий метаматериалы, способные искривлять не только микроволны, но и видимый свет. Уже предложены несколько подходов, и все они представляются достаточно перспективными.
Одно из предложений заключается в том, чтобы использовать готовые методы, т. е. позаимствовать для производства метаматериалов отработанные технологии микроэлектронной промышленности. К примеру, в основе миниатюризации компьютеров лежит технология «фотолитографии»; она же служит двигателем компьютерной революции. Эта технология позволяет инженерам размещать на кремниевой подложке размером с ноготь большого пальца сотни миллионов крохотных транзисторов.
Мощность компьютеров удваивается каждые 18 месяцев (эту закономерность называют законом Мура). Происходит это благодаря тому, что ученые при помощи ультрафиолетового излучения «вытравливают» на кремниевых чипах все более и более крохотные компоненты. Эта технология очень напоминает процесс, при помощи которого наносят по трафарету рисунок на цветастую футболку. (Инженеры-компьютерщики начинают с тонкой подложки, на которую сверху накладываются тончайшие слои различных материалов. Затем подложка накрывается пластиковой маской, работающей как шаблон. На маску заранее наносится сложный рисунок проводников, транзисторов и компьютерных компонентов, составляющих основу принципиальной схемы. Заготовку облучают жестким ультрафиолетом, т. е. подвергают действию ультрафиолетового излучения с очень малой длиной волны; это излучение как бы переносит рисунок матрицы на светочувствительную подложку. Затем заготовку обрабатывают специальными газами и кислотами, и сложная схема матрицы вытравливается на подложке в тех местах, где она подвергалась действию ультрафиолетового излучения. В результате этого процесса получается пластинка с сотнями миллионов крошечных углублений, которые и образуют контуры транзисторов.) В настоящее время самые мелкие компоненты, которые удается создать при помощи описанного процесса, имеют размер около 30 нм (или примерно 150 атомов).
Заметной вехой на пути к невидимости стал недавний эксперимент группы ученых из Германии и Министерства энергетики США, в котором процесс травления кремниевой подложки удалось использовать для изготовления первого метаматериала, способного работать в видимом диапазоне света. В начале 2007 г. ученые объявили, что созданный ими метаматериал оказывает воздействие на красный свет. «Невозможное» было реализовано в удивительно короткие сроки.
Физик Костас Сукулис из Лаборатории Эймса и Университета штата Айова вместе со Стефаном Линденом, Мартином Вегенером и Гуннаром Доллингом из Университета Карлсруэ в Германии сумели создать метаматериал с показателем преломления –0,6 для красного света с длиной волны 780 нм. (До этого мировой рекорд длины волны излучения, которое удалось «завернуть» при помощи метаматериала, составлял 1400 нм; это уже не видимый, а инфракрасный свет.)
Для начала ученые взяли лист стекла и нанесли на него тонкий слой серебра, затем слой фторида магния, затем снова слой серебра; таким образом, был получен «сэндвич» с фторидом толщиной всего 100 нм. После этого ученые при помощи стандартной технологии травления проделали в этом «сэндвиче» множество крохотных квадратных отверстий (шириной всего 100 нм, гораздо меньше длины волны красного света); в результате получилась решетчатая структура, напоминающая рыбацкую сеть. Затем они пропустили через полученный материал луч красного света и измерили показатель преломления, который составил –0,6.
Авторы предвидят, что изобретенная ими технология найдет широкое применение. Метаматериалы «могут когда-нибудь привести к созданию своего рода плоской суперлинзы, работающей в видимой части спектра, – говорит д-р Сукулис. – более высокое разрешение по сравнению с традиционной технологией и различать детали, значительно уступающие по размерам длине световой волны». Очевидно, одним из первых приложений «суперлинзы» станет фотографирование микроскопических объектов с беспрецедентной четкостью; речь может идти о фотографировании внутри живой человеческой клетки или о диагностике заболеваний плода в чреве матери. В идеале появится возможность сфотографировать компоненты молекулы ДНК непосредственно, без применения грубых методов рентгеновской кристаллографии.
Пока ученым удалось продемонстрировать отрицательный показатель преломления только для красного света. Но метод надо развивать, и следующим шагом должно стать создание метаматериала, который мог бы полностью обвести красный луч вокруг объекта, сделав его невидимым для красного света.
Дальнейшее развитие можно ожидать также в области «фотонных кристаллов». Цель технологии фотонных кристаллов – создать чип, который использовал бы для обработки информации свет, а не электричество. Предполагается применить нанотехнологии для вытравливания на подложке крошечных компонентов – так, чтобы с каждым компонентом изменялся показатель преломления. Транзисторы, в которых работает свет, имеют немало преимуществ перед электронными. К примеру, в фотонных кристаллах значительно меньше тепловые потери. (В сложных кремниевых чипах выделяется столько тепла, что хватило бы поджарить яичницу. Чтобы такие чипы не отказывали, их необходимо непрерывно охлаждать, а это очень дорого.)
Нет ничего удивительного в том, что технология получения фотонных кристаллов должна идеально подойти для метаматериалов, – ведь обе технологии предполагают манипулирование показателем преломления света на наноуровне.
Невидимость через плазмонику
Не желая отставать от соперников, другая группа физиков объявила в середине 2007 г. о создании метаматериала, способного повернуть видимый свет, на базе совершенно иной технологии, получившей название «плазмоника». Физики Анри Лезек, Дженнифер Дионн и Гарри Этуотер из Калифорнийского технологического института объявили о создании метаматериала, обладающего отрицательным показателем преломления для более сложной сине-зеленой области видимого спектра.
Цель плазмоники – таким образом «сжать» свет, чтобы можно было манипулировать объектами в наномасштабе, особенно на поверхности металлов. Причина электропроводности металлов кроется в том, что электроны в атомах металлов слабо связаны с ядром и могут свободно передвигаться вдоль поверхности металлической решетки. Электричество, идущее по проводам у вас дома, представляет собой плавный поток этих слабо связанных электронов по металлической поверхности. Но при определенных условиях, когда луч света сталкивается с металлической поверхностью, электроны могут завибрировать в унисон со светом. При этом на поверхности металла возникают волнообразные движения электронов (эти волны называют плазмонами) в такт с колебаниями электромагнитного поля над металлом. Что еще важнее, эти плазмоны можно «сжать» – при этом они будут иметь ту же частоту, что и первоначальный световой луч (а значит, будут нести ту же информацию), но значительно меньшую длину волны. В принципе затем эти сжатые волны можно втиснуть в нанопроводники. Как и в случае фотонных кристаллов, конечная цель плазмоники – создание компьютерных чипов, в которых работает не электричество, а свет.
Группа из Калифорнийского технологического построила свой метаматериал из двух слоев серебра и азотно-кремниевого изолирующего слоя (толщиной всего 50 нм) между ними. Этот слой действует как «волновод», способный направить плазмонные волны в нужную сторону. Через щель, прорезанную в метаматериале, в устройство проникает лазерный луч; он проходит по волноводу, а затем выходит через вторую щель. Если проанализировать углы, на которые изгибается лазерный луч при прохождении через метаматериал, можно установить, что материал обладает отрицательным показателем преломления для света с данной длиной волны.
Цель плазмоники – таким образом «сжать» свет, чтобы можно было манипулировать объектами в наномасштабе, особенно на поверхности металлов. Причина электропроводности металлов кроется в том, что электроны в атомах металлов слабо связаны с ядром и могут свободно передвигаться вдоль поверхности металлической решетки. Электричество, идущее по проводам у вас дома, представляет собой плавный поток этих слабо связанных электронов по металлической поверхности. Но при определенных условиях, когда луч света сталкивается с металлической поверхностью, электроны могут завибрировать в унисон со светом. При этом на поверхности металла возникают волнообразные движения электронов (эти волны называют плазмонами) в такт с колебаниями электромагнитного поля над металлом. Что еще важнее, эти плазмоны можно «сжать» – при этом они будут иметь ту же частоту, что и первоначальный световой луч (а значит, будут нести ту же информацию), но значительно меньшую длину волны. В принципе затем эти сжатые волны можно втиснуть в нанопроводники. Как и в случае фотонных кристаллов, конечная цель плазмоники – создание компьютерных чипов, в которых работает не электричество, а свет.
Группа из Калифорнийского технологического построила свой метаматериал из двух слоев серебра и азотно-кремниевого изолирующего слоя (толщиной всего 50 нм) между ними. Этот слой действует как «волновод», способный направить плазмонные волны в нужную сторону. Через щель, прорезанную в метаматериале, в устройство проникает лазерный луч; он проходит по волноводу, а затем выходит через вторую щель. Если проанализировать углы, на которые изгибается лазерный луч при прохождении через метаматериал, можно установить, что материал обладает отрицательным показателем преломления для света с данной длиной волны.
Будущее метаматериалов
Продвижение в исследовании метаматериалов в будущем будет ускоряться по той простой причине, что уже сейчас интерес к созданию транзисторов, которые работали бы на световом луче вместо электричества, очень велик. Поэтому можно предположить, что исследования в области невидимости смогут «подъехать на попутке», т. е. воспользоваться результатами уже идущих исследований по созданию замены кремниевому чипу при помощи фотонных кристаллов и плазмоники. Уже сегодня в разработку технологии, призванной заменить кремниевые чипы, вкладываются сотни миллионов долларов, а попутно выиграют и исследования в области метаматериалов.
В настоящее время новые серьезные открытия в этой области совершаются каждые несколько месяцев, поэтому не удивительно, что некоторые физики ожидают появления в лаборатории первых образцов реального щита невидимости уже через несколько десятилетий. Так, ученые уверены в том, что сумеют в ближайшие несколько лет создать метаматериалы, способные сделать объект полностью невидимым, по крайней мере в двух измерениях, для видимого света любой конкретной частоты. Чтобы добиться такого эффекта, необходимо будет внедрить в метаматериал крошечные наноимплантаты не правильными рядами, а по сложному рисунку, так чтобы в результате свет плавно огибал скрываемый объект.
Далее ученым придется изобрести и создать метаматериалы, способные изгибать свет в трех измерениях, а не только на плоских двумерных поверхностях. Фотолитография – отработанная технология для получения плоских кремниевых схем; создание же трехмерных метаматериалов потребует как минимум сложной компоновки нескольких плоских схем.
После этого ученым придется решить проблему создания метаматериалов, изгибающих свет не одной частоты, а нескольких – или, скажем, полосы частот. Это, возможно, окажется самой сложной задачей, потому что все разработанные до сих пор крошечные имплантаты отклоняют свет только одной точно заданной частоты. Возможно, ученым придется заняться многослойными метаматериалами, где каждый слой будет действовать на одну конкретную частоту. Пока не ясно, каким будет решение этой проблемы.
Но щит невидимости, даже будучи наконец создан в лаборатории, может оказаться совсем не таким, как нам хочется, скорее всего, это будет тяжелое и неповоротливое устройство. Плащ Гарри Поттера был сшит из тонкой мягкой ткани и при этом делал любого, кто завернется в него, невидимым. Но чтобы такой эффект был возможен, показатель преломления внутри ткани должен постоянно меняться сложным образом в соответствии с колебаниями ткани и движениями человека. Это непрактично. Скорее всего, плащ-невидимка, по крайней мере поначалу, будет представлять собой твердый цилиндр из метаматериала. В этом случае показатель преломления внутри цилиндра можно будет сделать постоянным. (В более продвинутых моделях со временем могут появиться гибкие метаматериалы, способные изгибаться и при этом удерживать свет внутри себя на правильном пути. Тогда тот, кто будет находиться внутри «плаща», получит некоторую свободу движений.)
У щита невидимости есть один недостаток, на который уже неоднократно указывали: тот, кто находится внутри, не сможет выглянуть наружу, не став при этом видимым. Представьте себе Гарри Поттера, у которого видимыми остались только глаза; при этом они как бы плывут по воздуху на соответствующей высоте. Любые отверстия для глаз в плаще-невидимке были бы отчетливо видны снаружи. Если же сделать Гарри Поттера совершенно невидимым, то ему придется сидеть под своим плащом слепо и в полной темноте. (Одним из возможных решений этой проблемы могут стать два маленьких стеклышка перед глазами. Эти стеклышки будут работать как «расщепители луча»; они отщипывали бы и направляли в глаза небольшую часть падающего на них света. При этом бо́льшая часть света, попадающего на плащ, шла бы в обход, делая человека внутри невидимым, но некоторая, очень небольшая, его часть отделялась бы и попадала в глаза.)
Бесспорно, препятствия на пути к невидимости очень серьезны, но ученые и инженеры настроены оптимистично и считают, что щит невидимости того или иного рода может быть создан в течение нескольких ближайших десятилетий.
В настоящее время новые серьезные открытия в этой области совершаются каждые несколько месяцев, поэтому не удивительно, что некоторые физики ожидают появления в лаборатории первых образцов реального щита невидимости уже через несколько десятилетий. Так, ученые уверены в том, что сумеют в ближайшие несколько лет создать метаматериалы, способные сделать объект полностью невидимым, по крайней мере в двух измерениях, для видимого света любой конкретной частоты. Чтобы добиться такого эффекта, необходимо будет внедрить в метаматериал крошечные наноимплантаты не правильными рядами, а по сложному рисунку, так чтобы в результате свет плавно огибал скрываемый объект.
Далее ученым придется изобрести и создать метаматериалы, способные изгибать свет в трех измерениях, а не только на плоских двумерных поверхностях. Фотолитография – отработанная технология для получения плоских кремниевых схем; создание же трехмерных метаматериалов потребует как минимум сложной компоновки нескольких плоских схем.
После этого ученым придется решить проблему создания метаматериалов, изгибающих свет не одной частоты, а нескольких – или, скажем, полосы частот. Это, возможно, окажется самой сложной задачей, потому что все разработанные до сих пор крошечные имплантаты отклоняют свет только одной точно заданной частоты. Возможно, ученым придется заняться многослойными метаматериалами, где каждый слой будет действовать на одну конкретную частоту. Пока не ясно, каким будет решение этой проблемы.
Но щит невидимости, даже будучи наконец создан в лаборатории, может оказаться совсем не таким, как нам хочется, скорее всего, это будет тяжелое и неповоротливое устройство. Плащ Гарри Поттера был сшит из тонкой мягкой ткани и при этом делал любого, кто завернется в него, невидимым. Но чтобы такой эффект был возможен, показатель преломления внутри ткани должен постоянно меняться сложным образом в соответствии с колебаниями ткани и движениями человека. Это непрактично. Скорее всего, плащ-невидимка, по крайней мере поначалу, будет представлять собой твердый цилиндр из метаматериала. В этом случае показатель преломления внутри цилиндра можно будет сделать постоянным. (В более продвинутых моделях со временем могут появиться гибкие метаматериалы, способные изгибаться и при этом удерживать свет внутри себя на правильном пути. Тогда тот, кто будет находиться внутри «плаща», получит некоторую свободу движений.)
У щита невидимости есть один недостаток, на который уже неоднократно указывали: тот, кто находится внутри, не сможет выглянуть наружу, не став при этом видимым. Представьте себе Гарри Поттера, у которого видимыми остались только глаза; при этом они как бы плывут по воздуху на соответствующей высоте. Любые отверстия для глаз в плаще-невидимке были бы отчетливо видны снаружи. Если же сделать Гарри Поттера совершенно невидимым, то ему придется сидеть под своим плащом слепо и в полной темноте. (Одним из возможных решений этой проблемы могут стать два маленьких стеклышка перед глазами. Эти стеклышки будут работать как «расщепители луча»; они отщипывали бы и направляли в глаза небольшую часть падающего на них света. При этом бо́льшая часть света, попадающего на плащ, шла бы в обход, делая человека внутри невидимым, но некоторая, очень небольшая, его часть отделялась бы и попадала в глаза.)
Бесспорно, препятствия на пути к невидимости очень серьезны, но ученые и инженеры настроены оптимистично и считают, что щит невидимости того или иного рода может быть создан в течение нескольких ближайших десятилетий.
Невидимость и нанотехнологии
Как я уже упоминал, ключом к невидимости может стать развитие нанотехнологий, т. е. способности манипулировать структурами атомных (около одной миллиардной части метра в поперечнике) размеров.
Моментом зарождения нанотехнологий называют знаменитую лекцию с ироничным названием «На дне полным-полно места», которую прочитал нобелевский лауреат Ричард Фейнман перед Американским физическим обществом в 1959 г. В этой лекции он рассуждал о том, как могут выглядеть самые крохотные машины в соответствии с известными нам законами физики. Фейнман понимал, что размеры машин будут становиться все меньше и меньше, пока не приблизятся к размерам атома, а затем для создания новых машин можно будет использовать сами атомы. Он сделал вывод о том, что простейшие атомные машины вроде блока, рычага или колеса ничем не противоречат законам физики, но изготовить их будет чрезвычайно трудно.
Много лет нанотехнологии прозябали в забвении – просто потому, что технологии того времени не позволяли манипулировать отдельными атомами. Но в 1981 г. произошел прорыв – физики Герд Бинниг и Генрих Рорер из лаборатории IBM в Цюрихе изобрели сканирующий туннельный микроскоп, который позже принес им Нобелевскую премию по физике.
Ученые внезапно получили возможность получать поразительные «картинки» отдельных атомов, объединенных в структуры – в точности такие, какие изображают обычно в книгах по химии; когда-то критики атомной теории считали это невозможным. Теперь же можно было получить великолепные фотографии атомов, выстроенных рядами в правильной структуре кристалла или металла. Химические формулы, при помощи которых ученые пытались отразить сложную структуру молекулы, теперь можно было увидеть невооруженным взглядом. Более того, сканирующий туннельный микроскоп дал возможность манипулировать отдельными атомами. Первооткрыватели выложили из отдельных атомов буквы IBM, чем произвели в научном мире настоящую сенсацию. Ученые перестали быть слепцами в мире отдельных атомов; они получили возможность видеть атомы и работать с ними.
Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа обманчиво прост. Подобно тому как граммофон сканирует диск иглой, этот микроскоп медленно проводит острый щуп над исследуемым веществом. (Кончик этого щупа такой острый, что заканчивается единичным атомом.) Щуп несет на себе слабый электрический заряд; с его конца через исследуемый материал к проводящей поверхности под ним течет электрический ток. При прохождении щупа над каждым отдельным атомом ток слегка меняется; изменения тока тщательно регистрируются. Подъемы и падения тока при прохождении иглы над атомом очень точно и детально отражают его очертания. Обработав и представив в графической форме данные о флуктуациях тока за большое количество проходов, можно получить красивую картинку отдельных атомов, образующих пространственную решетку.
(Сканирующий туннельный микроскоп может существовать благодаря одному странному закону квантовой физики. Обычно электроны не обладают достаточной энергией, чтобы пройти с кончика щупа к подложке через слой вещества. Но существует – согласно принципу неопределенности – небольшая вероятность того, что электроны «туннелируют», т. е. проникнут через барьер, хотя это и противоречит ньютоновской теории. Именно поэтому ток, проходящий через материал, так чувствителен к тонким квантовым эффектам в нем. Позже я остановлюсь на следствиях квантовой теории более подробно.)
Кроме того, щуп микроскопа достаточно чувствителен, чтобы передвигать отдельные атомы и сооружать из них простейшие «машины». В настоящий момент эта технология настолько развита, что можно видеть группу атомов на экране компьютера и простым движением курсора передвигать отдельные атомы произвольным образом. Можно манипулировать десятками атомов так же легко, как кирпичиками конструктора «Лего». Можно не только выкладывать из атомов буквы, но и создавать игрушки, такие как, например, счеты, где костяшки собраны из единичных атомов. Для этого атомы раскладывают на поверхности, снабженной вертикальными пазами. В пазы вставляют сферические фуллерены («футбольные мячики», составленные из отдельных атомов углерода). Эти углеродные шарики и служат костяшками атомных счетов, двигаясь вверх и вниз по своим пазам.
Можно также вырезать атомные устройства при помощи электронных лучей. К примеру, ученые из Корнеллского университета вырезали из кристаллического кремния самую маленькую в мире гитару, размер которой в 20 раз меньше толщины человеческого волоса. Гитара имеет шесть струн толщиной в сотню атомов каждая, которые можно дергать при помощи атомного силового микроскопа. (При этом гитара действительно будет играть музыку, но частоты, которые она производит, находятся далеко за пределами слышимости человеческого уха.)
В настоящее время практически все «наномашины» представляют собой всего лишь игрушки. Более сложные машины с передачами и подшипниками еще только предстоит создать. Но многие инженеры уверены, что время реальных атомных машин уже на подходе. (В природе такие машины существуют. Одноклеточные организмы способны свободно плавать в воде благодаря движениям крохотных волосков. Но если рассмотреть внимательно соединение между волоском и клеткой, становится понятно, что именно атомная машина позволяет волоску произвольно двигаться во всех направлениях. Поэтому один из путей развития нанотехнологий – это копирование природы, которая освоила производство атомных машин миллиарды лет назад.)
Моментом зарождения нанотехнологий называют знаменитую лекцию с ироничным названием «На дне полным-полно места», которую прочитал нобелевский лауреат Ричард Фейнман перед Американским физическим обществом в 1959 г. В этой лекции он рассуждал о том, как могут выглядеть самые крохотные машины в соответствии с известными нам законами физики. Фейнман понимал, что размеры машин будут становиться все меньше и меньше, пока не приблизятся к размерам атома, а затем для создания новых машин можно будет использовать сами атомы. Он сделал вывод о том, что простейшие атомные машины вроде блока, рычага или колеса ничем не противоречат законам физики, но изготовить их будет чрезвычайно трудно.
Много лет нанотехнологии прозябали в забвении – просто потому, что технологии того времени не позволяли манипулировать отдельными атомами. Но в 1981 г. произошел прорыв – физики Герд Бинниг и Генрих Рорер из лаборатории IBM в Цюрихе изобрели сканирующий туннельный микроскоп, который позже принес им Нобелевскую премию по физике.
Ученые внезапно получили возможность получать поразительные «картинки» отдельных атомов, объединенных в структуры – в точности такие, какие изображают обычно в книгах по химии; когда-то критики атомной теории считали это невозможным. Теперь же можно было получить великолепные фотографии атомов, выстроенных рядами в правильной структуре кристалла или металла. Химические формулы, при помощи которых ученые пытались отразить сложную структуру молекулы, теперь можно было увидеть невооруженным взглядом. Более того, сканирующий туннельный микроскоп дал возможность манипулировать отдельными атомами. Первооткрыватели выложили из отдельных атомов буквы IBM, чем произвели в научном мире настоящую сенсацию. Ученые перестали быть слепцами в мире отдельных атомов; они получили возможность видеть атомы и работать с ними.
Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа обманчиво прост. Подобно тому как граммофон сканирует диск иглой, этот микроскоп медленно проводит острый щуп над исследуемым веществом. (Кончик этого щупа такой острый, что заканчивается единичным атомом.) Щуп несет на себе слабый электрический заряд; с его конца через исследуемый материал к проводящей поверхности под ним течет электрический ток. При прохождении щупа над каждым отдельным атомом ток слегка меняется; изменения тока тщательно регистрируются. Подъемы и падения тока при прохождении иглы над атомом очень точно и детально отражают его очертания. Обработав и представив в графической форме данные о флуктуациях тока за большое количество проходов, можно получить красивую картинку отдельных атомов, образующих пространственную решетку.
(Сканирующий туннельный микроскоп может существовать благодаря одному странному закону квантовой физики. Обычно электроны не обладают достаточной энергией, чтобы пройти с кончика щупа к подложке через слой вещества. Но существует – согласно принципу неопределенности – небольшая вероятность того, что электроны «туннелируют», т. е. проникнут через барьер, хотя это и противоречит ньютоновской теории. Именно поэтому ток, проходящий через материал, так чувствителен к тонким квантовым эффектам в нем. Позже я остановлюсь на следствиях квантовой теории более подробно.)
Кроме того, щуп микроскопа достаточно чувствителен, чтобы передвигать отдельные атомы и сооружать из них простейшие «машины». В настоящий момент эта технология настолько развита, что можно видеть группу атомов на экране компьютера и простым движением курсора передвигать отдельные атомы произвольным образом. Можно манипулировать десятками атомов так же легко, как кирпичиками конструктора «Лего». Можно не только выкладывать из атомов буквы, но и создавать игрушки, такие как, например, счеты, где костяшки собраны из единичных атомов. Для этого атомы раскладывают на поверхности, снабженной вертикальными пазами. В пазы вставляют сферические фуллерены («футбольные мячики», составленные из отдельных атомов углерода). Эти углеродные шарики и служат костяшками атомных счетов, двигаясь вверх и вниз по своим пазам.
Можно также вырезать атомные устройства при помощи электронных лучей. К примеру, ученые из Корнеллского университета вырезали из кристаллического кремния самую маленькую в мире гитару, размер которой в 20 раз меньше толщины человеческого волоса. Гитара имеет шесть струн толщиной в сотню атомов каждая, которые можно дергать при помощи атомного силового микроскопа. (При этом гитара действительно будет играть музыку, но частоты, которые она производит, находятся далеко за пределами слышимости человеческого уха.)
В настоящее время практически все «наномашины» представляют собой всего лишь игрушки. Более сложные машины с передачами и подшипниками еще только предстоит создать. Но многие инженеры уверены, что время реальных атомных машин уже на подходе. (В природе такие машины существуют. Одноклеточные организмы способны свободно плавать в воде благодаря движениям крохотных волосков. Но если рассмотреть внимательно соединение между волоском и клеткой, становится понятно, что именно атомная машина позволяет волоску произвольно двигаться во всех направлениях. Поэтому один из путей развития нанотехнологий – это копирование природы, которая освоила производство атомных машин миллиарды лет назад.)
Голограммы и невидимость
Еще один способ сделать человека отчасти невидимым – это сфотографировать вид позади него и затем спроектировать это изображение непосредственно на одежду человека или на некий экран перед ним. Если посмотреть спереди, то покажется, что человек стал прозрачным и свет каким-то образом проходит сквозь его тело.
Этим процессом, известным под названием «оптической маскировки», серьезно занимался, в частности, Наоки Каваками из Лаборатории Тати Токийского университета. Он говорит: «Эту технологию можно было бы использовать, чтобы помочь пилотам увидеть посадочную полосу сквозь пол кабины или водителям осмотреться как следует вокруг при парковке автомобиля». «Плащ» Каваками покрыт крошечными светоотражающими бусинками, работающими подобно киноэкрану. То, что происходит сзади, снимается на видеокамеру. Затем это изображение поступает в видеопроектор, который, в свою очередь, проецирует его на плащ спереди. Создается впечатление, что свет пронизывает человека насквозь.
Прототипы плащей с системой оптической маскировки уже созданы в лаборатории. Если посмотреть точно спереди на человека в таком плаще, кажется, что он исчезает, потому что видите вы при этом только изображение того, что происходит позади. Но если вы, а вместе с вами и ваши глаза, немного сдвинетесь, а изображение на плаще при этом останется прежним, станет понятно, что это всего лишь обман. В системе более реалистичной оптической маскировки необходимо будет создавать иллюзию трехмерного изображения. Для этого потребуются голограммы.
Голограмма – это трехмерное изображение, созданное лазерами (вспомните трехмерное изображение принцессы Леи в «Звездных войнах»). Можно сделать человека невидимым, если сфотографировать фон за ним при помощи специальной голографической камеры и воссоздать его затем на специальном голографическом экране перед ним. Наблюдатель увидит перед собой голографический экран с изображением всего, что на самом деле находится впереди, за исключением человека. Выглядеть будет так, как будто человек просто пропал. На его месте окажется точное трехмерное изображение фона. Даже сдвинувшись с места, вы не сможете понять, что перед вами подделка.
Создание таких трехмерных изображений возможно благодаря «когерентности» лазерного света, т. е. тому факту, что электромагнитные колебания в нем происходят строго в унисон. Чтобы построить голограмму, когерентный лазерный луч расщепляют на две части. Одну половину направляют на фотопленку, другую – на эту же фотопленку, но уже после отражения от объекта. При интерференции двух половинок луча на пленке возникает интерференционная картина, которая содержит всю информацию об исходном трехмерном луче. Пленка после проявления выглядит не слишком многообещающе – на ней видна только паутина непонятных линий и завитков. Но если пропустить через эту пленку лазерный луч, в воздухе, словно по волшебству, возникает точная трехмерная копия объекта.
Тем не менее голографическая невидимость ставит перед исследователями очень серьезные проблемы. Одна из них – создание голографической камеры, способной делать по крайней мере 30 снимков в секунду. Еще одна – хранение и обработка всей этой информации. Наконец, необходимо будет проецировать изображение на экран так, чтобы оно выглядело реалистично.
Этим процессом, известным под названием «оптической маскировки», серьезно занимался, в частности, Наоки Каваками из Лаборатории Тати Токийского университета. Он говорит: «Эту технологию можно было бы использовать, чтобы помочь пилотам увидеть посадочную полосу сквозь пол кабины или водителям осмотреться как следует вокруг при парковке автомобиля». «Плащ» Каваками покрыт крошечными светоотражающими бусинками, работающими подобно киноэкрану. То, что происходит сзади, снимается на видеокамеру. Затем это изображение поступает в видеопроектор, который, в свою очередь, проецирует его на плащ спереди. Создается впечатление, что свет пронизывает человека насквозь.
Прототипы плащей с системой оптической маскировки уже созданы в лаборатории. Если посмотреть точно спереди на человека в таком плаще, кажется, что он исчезает, потому что видите вы при этом только изображение того, что происходит позади. Но если вы, а вместе с вами и ваши глаза, немного сдвинетесь, а изображение на плаще при этом останется прежним, станет понятно, что это всего лишь обман. В системе более реалистичной оптической маскировки необходимо будет создавать иллюзию трехмерного изображения. Для этого потребуются голограммы.
Голограмма – это трехмерное изображение, созданное лазерами (вспомните трехмерное изображение принцессы Леи в «Звездных войнах»). Можно сделать человека невидимым, если сфотографировать фон за ним при помощи специальной голографической камеры и воссоздать его затем на специальном голографическом экране перед ним. Наблюдатель увидит перед собой голографический экран с изображением всего, что на самом деле находится впереди, за исключением человека. Выглядеть будет так, как будто человек просто пропал. На его месте окажется точное трехмерное изображение фона. Даже сдвинувшись с места, вы не сможете понять, что перед вами подделка.
Создание таких трехмерных изображений возможно благодаря «когерентности» лазерного света, т. е. тому факту, что электромагнитные колебания в нем происходят строго в унисон. Чтобы построить голограмму, когерентный лазерный луч расщепляют на две части. Одну половину направляют на фотопленку, другую – на эту же фотопленку, но уже после отражения от объекта. При интерференции двух половинок луча на пленке возникает интерференционная картина, которая содержит всю информацию об исходном трехмерном луче. Пленка после проявления выглядит не слишком многообещающе – на ней видна только паутина непонятных линий и завитков. Но если пропустить через эту пленку лазерный луч, в воздухе, словно по волшебству, возникает точная трехмерная копия объекта.
Тем не менее голографическая невидимость ставит перед исследователями очень серьезные проблемы. Одна из них – создание голографической камеры, способной делать по крайней мере 30 снимков в секунду. Еще одна – хранение и обработка всей этой информации. Наконец, необходимо будет проецировать изображение на экран так, чтобы оно выглядело реалистично.
Невидимость через четвертое измерение
Следует упомянуть еще один, куда более хитрый способ становиться невидимым, изложенный Гербертом Уэллсом в романе «Человек-невидимка». Этот способ предусматривает использование возможностей четвертого измерения. (Позже в этой книге я подробнее расскажу о возможном существовании высших измерений.) Может ли человек покинуть нашу трехмерную вселенную и парить над ней в четвертом измерении, наблюдая за происходящим со стороны? Подобно трехмерной бабочке, порхающей над двумерным листом бумаги, такой человек был бы невидим для любого обитателя вселенной внизу. Единственная проблема состоит в том, что существование высших измерений до сих пор не доказано. Более того, гипотетическое путешествие в одно из таких измерений потребовало бы намного больше энергии, чем имеется в нашем распоряжении в настоящий момент, при текущем уровне развития техники. Если говорить о реальных способах достижения невидимости, то этот метод, очевидно, лежит далеко за пределами наших сегодняшних знаний и возможностей.
Учитывая громадные успехи, достигнутые уже на пути к невидимости, мы, я думаю, можем смело классифицировать ее как невозможность I класса. Невидимость того или иного рода может стать обыденной уже в ближайшие несколько десятилетий, в крайнем случае к концу столетия.
Учитывая громадные успехи, достигнутые уже на пути к невидимости, мы, я думаю, можем смело классифицировать ее как невозможность I класса. Невидимость того или иного рода может стать обыденной уже в ближайшие несколько десятилетий, в крайнем случае к концу столетия.
3. Фазеры и звезды смерти
У радио нет будущего. Летательные аппараты тяжелее воздуха невозможны. Скоро выяснится, что рентгеновские лучи – мистификация.
Лорд Кельвин, физик, 1899 г.
Эта [атомная] бомба никогда не взорвется. Я говорю это как специалист по взрывчатым веществам.
Адмирал Уильям Лихи
Четыре… три… два… один… огонь!
Звезда смерти – это колоссальное оружие размером с хорошую луну. Выстрелив в упор в беззащитную планету Альдераан, родину принцессы Леи, Звезда смерти полностью уничтожает ее. Планета исчезает в пламени титанического взрыва, разбрасывая обломки по всей Солнечной системе. Миллиард душ одновременно вскрикивает в муке, вызывая тем самым возмущение Силы, которое чувствуется в любом месте галактики.
Но возможно ли в действительности оружие, подобное Звезде смерти из киноэпопеи «Звездные войны»? Можно ли так организовать и направить батарею лазерных пушек, чтобы в результате испарилась целая планета? А как насчет знаменитых световых мечей, которыми обладали Люк Скайуокер и Дарт Вейдер, представляющих собой луч света, но способных без труда разрубить бронированную сталь? Станут ли лучевые ружья, как фазеры в сериале «Звездный путь», подходящим оружием для будущих поколений сотрудников правопорядка и солдат?
Новые, оригинальные и поражающие воображение спецэффекты «Звездных войн» произвели неотразимое впечатление на миллионы зрителей, но у критиков сложилось иное мнение. Некоторые из них утверждали, что да, конечно, создатели фильма искренне старались развлечь зрителя, но на самом-то деле подобные вещи совершенно невозможны. Критики не уставали повторять как заклинание: лучевые пушки размером с луну, способные разнести на мелкие кусочки целую планету, – это нечто неслыханное; невозможны и мечи из внезапно затвердевающего светового луча. Все это слишком даже для далекой-далекой галактики. На этот раз Джорджа Лукаса, признанного мастера спецэффектов, немного занесло.
Возможно, в это трудно поверить, но в световой луч можно «запихнуть» неограниченное количество энергии; здесь нет никаких физических ограничений. Создание Звезды смерти или светового меча не противоречит ни одному закону физики. Более того, пучки гамма-излучения, способные взорвать планету, реально существуют в природе. Титанический всплеск излучения, порождаемый далеким таинственным источником гамма-всплесков, способен устроить в глубоком космосе взрыв, уступающий по мощности только самому Большому взрыву. Любая планета, которую угораздит оказаться в прицеле такой «пушки», действительно будет поджарена или разорвана на куски.
Звезда смерти – это колоссальное оружие размером с хорошую луну. Выстрелив в упор в беззащитную планету Альдераан, родину принцессы Леи, Звезда смерти полностью уничтожает ее. Планета исчезает в пламени титанического взрыва, разбрасывая обломки по всей Солнечной системе. Миллиард душ одновременно вскрикивает в муке, вызывая тем самым возмущение Силы, которое чувствуется в любом месте галактики.
Но возможно ли в действительности оружие, подобное Звезде смерти из киноэпопеи «Звездные войны»? Можно ли так организовать и направить батарею лазерных пушек, чтобы в результате испарилась целая планета? А как насчет знаменитых световых мечей, которыми обладали Люк Скайуокер и Дарт Вейдер, представляющих собой луч света, но способных без труда разрубить бронированную сталь? Станут ли лучевые ружья, как фазеры в сериале «Звездный путь», подходящим оружием для будущих поколений сотрудников правопорядка и солдат?
Новые, оригинальные и поражающие воображение спецэффекты «Звездных войн» произвели неотразимое впечатление на миллионы зрителей, но у критиков сложилось иное мнение. Некоторые из них утверждали, что да, конечно, создатели фильма искренне старались развлечь зрителя, но на самом-то деле подобные вещи совершенно невозможны. Критики не уставали повторять как заклинание: лучевые пушки размером с луну, способные разнести на мелкие кусочки целую планету, – это нечто неслыханное; невозможны и мечи из внезапно затвердевающего светового луча. Все это слишком даже для далекой-далекой галактики. На этот раз Джорджа Лукаса, признанного мастера спецэффектов, немного занесло.
Возможно, в это трудно поверить, но в световой луч можно «запихнуть» неограниченное количество энергии; здесь нет никаких физических ограничений. Создание Звезды смерти или светового меча не противоречит ни одному закону физики. Более того, пучки гамма-излучения, способные взорвать планету, реально существуют в природе. Титанический всплеск излучения, порождаемый далеким таинственным источником гамма-всплесков, способен устроить в глубоком космосе взрыв, уступающий по мощности только самому Большому взрыву. Любая планета, которую угораздит оказаться в прицеле такой «пушки», действительно будет поджарена или разорвана на куски.