Миннеаполис, Миннесота (21 марта 2000 г.) - Физики из Калифорнийского университета в Сан-Диего создали новый класс композитных материалов с необычными физическими свойствами, которые, как теоретизировали ученые, могли быть возможны, но никогда прежде не были в состоянии производить в природе.
Замечательное достижение, подробно описанное в статье, которая появится в следующем номере журнала Physical Review Letters, было объявлено сегодня на собрании Американского физического общества. Физики UCSD заявили, что их открытие откроет новую поддисциплину в физике и создаст ряд коммерческих приложений для этого материала, на который университет подал заявку на патент..
«Подобные композитные материалы основаны на совершенно новой концепции», - заявили два соруководителя группы UCSD, Шелдон Шульц и Дэвид Р. Смит, объявившие о своем открытии на пресс-конференции. «Хотя они подчиняются законам физики, предполагается, что они будут вести себя совершенно иначе, чем обычные материалы, и должны найти интересные применения».
Необычным свойством этого нового класса материалов является его способность обращать вспять многие физические свойства, определяющие поведение обычных материалов. Одним из таких свойств является эффект Доплера, из-за которого свисток поезда звучит выше по мере приближения и ниже по мере удаления. Согласно уравнениям Максвелла, описывающим взаимосвязь между магнитными и электрическими полями, микроволновое излучение или свет будут давать противоположный эффект в этом новом классе материалов, сдвигаясь в сторону более низких частот по мере приближения источника и к более высоким частотам по мере его удаления.
Аналогично, уравнения Максвелла также предполагают, что линзы, которые обычно рассеивают электромагнитное излучение, вместо этого фокусируют его внутри этого композитного материала. Это связано с тем, что закон Снелла, описывающий угол преломления, вызванный изменением скорости света и других волн через линзы, воду и другие типы обычных материалов, как ожидается, будет прямо противоположным внутри этого композита.
«Если окажется, что эти эффекты возможны на оптических частотах, этот материал будет обладать сумасшедшим свойством: фонарик, светящий на плиту, может фокусировать свет в точке на другой стороне», - сказал Шульц. «Нельзя сделать это с листом обычного материала».
Он отмечает, что разработка этого нового класса материалов, которая финансировалась Национальным научным фондом и Министерством энергетики, полностью согласуется с законами физики и была предсказана как возможность в 1968 году русским теоретик В. Г. Веселаго. «Но до сих пор, - добавляет Шульц, - ни у кого не было материала, поэтому его нельзя было проверить».
В основе обращения эффекта Доплера, закона Снеллиуса и черенковского излучения (излучения заряженных частиц, движущихся через среду) лежит то, что этот новый материал демонстрирует обращение одного из «правил правой руки» физики, которое описывают взаимосвязь между электрическим и магнитным полями и направлением их волновой скорости.
Новые материалы известны команде UCSD в просторечии как «левосторонние материалы» по термину, придуманному Веселаго, потому что они меняют эту взаимосвязь. Физически это противоречит здравому смыслу: импульсы электромагнитного излучения, движущиеся через материал в одном направлении, состоят из составляющих волн, движущихся в противоположном направлении.
Физики UCSD подчеркнули, что, хотя они считают, что их новый класс композитов изменит закон Снеллиуса, конкретный композит, который они произвели, не будет делать этого на частотах видимого света. Вместо этого теперь он ограничивается передачей микроволнового излучения на частотах от 4 до 7 гигагерц - диапазон где-то между работой бытовых микроволновых печей (3,3 гигагерца) и военных радаров (10 гигагерц)..
Тем не менее, Шульц сказал, что группа UCSD вскоре попытается проверить, что композит, построенный на аналогичных принципах, сможет фокусировать и рассеивать микроволны точно так же, как обычные линзы. «Мы еще не проводили этот эксперимент, - сказал он. «Но это то, что предсказывают уравнения. Физики поймут, что если наши данные, представленные в нашей статье, верны, учитывая уравнения Максвелла, то результат будет таким».
Композит, созданный командой UCSD, в которую также входили Вилли Дж. Падилья, Дэвид С. Вьер и Сайрус С. Немат-Насер, был изготовлен из ряда тонких медных колец и обычной медной проволоки, натянутых параллельно. к кольцам. Это пример нового класса материалов, которые ученые называют «метаматериалами».«Несмотря на то, что он состоит только из медных проводов и медных колец, устройство обладает эффективным магнитным откликом на микроволны, который никогда ранее не демонстрировался», - сказал Шульц.
Идея нового композита принадлежит Смиту, основанному на работе Джона Пендри из Имперского колледжа в Лондоне. В 1996 году Пендри описал способ использования обычных медных проводов для создания материала со свойством, которое физики называют «отрицательной электрической проницаемостью». Электрическая диэлектрическая проницаемость, которую часто называют «диэлектрической проницаемостью», представляет собой реакцию материала на электромагнитное излучение.
«Когда вы берете такой материал, как пластик, стекло или сапфир, и направляете на него микроволны, вы можете охарактеризовать, как микроволны, проходящие через него, будут вести себя с помощью параметра, называемого электрической диэлектрической проницаемостью», - объяснил Шульц. Большинство известных в природе материалов имеют положительную электрическую проницаемость.
Пендри также недавно предложил способ использования медных колец для изготовления материала с отрицательной магнитной проницаемостью на микроволновых частотах. Почти все магнитные материалы в природе, которые реагируют на магнитные, а не на электрические поля, обладают тем, что физики называют «положительной магнитной проницаемостью».
Что необычного в новом классе материалов, созданных командой UCSD, так это то, что они одновременно имеют отрицательную электрическую и отрицательную магнитную проницаемость, сочетание свойств, никогда ранее не встречавшееся в природном или искусственном материале.
«И самое интересное, что он изготовлен без магнитного материала», - сказал Шульц. «Все сделано из меди».
«Суть в том, - сказал Смит, - что этот материал - этот метаматериал, на частотах, где и диэлектрическая, и магнитная проницаемости отрицательны, ведет себя в соответствии с правилом левой руки, а не правилом правой руки.."