Метаматериалы и наномиражи

"Метаматериал" — едва ли не самое "горячее" слово в нанотехнологиях последнего пятилетия. Те, кто следит за прогрессом, наверняка восхищались недавними демонстрациями эффекта невидимости в нескольких американских университетах. Небольшие предметы с экраном из особым образом сконструированных веществ оказывались прозрачными для разных видов излучения в радио- или оптическом диапазоне. Ближайшая задача метаматериалов — объединить электронные и оптические методы обработки информации.

Строго говоря, термин "метаматериал" означает всего лишь искусственно созданное вещество. В нанотехнологиях им чаще всего обозначают искусственное вещество, приобретающее необычные оптические свойства благодаря внесению в него массива нанометровых металлических частиц.

Если бы у воды были такие оптические свойства, как у "метаплаща-невидимки", нам бы казалось, что опущенный в нее палец торчит вверх, а изображение рыбы у дна озера парило бы над поверхностью. Необычную оптику обеспечивают геометрия частиц и характер их расположения. В опытах с невидимостью металлические наноэлементы в виде разомкнутых колец или цилиндриков образуют равномерную матрицу, причем и сами элементы, и расстояние между ними во много раз меньше длины волны света или радиосигнала. "Когда сигнал проходит сквозь такую матрицу, в ней возникают своего рода миражи, только на нанометровых масштабах,— объясняет профессор Андрей Сарычев из Института теоретической и прикладной электродинамики РАН (ИТПЭ).— В результате сигнал огибает препятствие — и создается иллюзия невидимости". Профессор Сарычев — один из самых известных в мире специалистов по метаматериалам. Более десяти лет он проработал в США, где и получил свои результаты по физике этих сред, уже ставшие классическими.

Еще в 1967 году советский физик Виктор Веселаго (сейчас профессор московского Физтеха) теоретически исследовал эту парадоксальную оптику. Тогда это казалось абстрактной игрой ума, так как в природе вещества с такими оптическими параметрами не встречаются. Сегодня же нанотехнологи всего мира энергично работают над реализацией метаматериалов, которые позволили бы создать так называемую суперлинзу, математически описанную Веселаго почти 40 лет назад.

Суперлинзы могут иметь огромную сферу применения — в частности, с их помощью можно будет исследовать вирусы и молекулы белков под обычным световым микроскопом. Сейчас разрешение оптического микроскопа ограничено длиной волн видимого света (сотнями нанометров), и ни один из существующих материалов даже теоретически не способен преодолеть это фундаментальное ограничение. Метаматериалы такого же типа, но настроенные на радиодиапазон позволят уменьшить размеры антенн радаров и мобильных телефонов. Кроме очевидного применения в военных и разведывательных целях такие радары могут быть использованы и в системах автоматической навигации автомобилей.

Андрей Сарычев, впрочем, считает самым важным применение метаматериалов при создании устройств оптической обработки информации. Это направление теснейшим образом связано с плазмоникой — модной и перспективной областью применения нанотехнологий.

Плазмонное излучение называют еще двумерным, одномерным и нульмерным светом. Оно представляет собой комбинацию электромагнитных колебаний и колебаний электронов в металле. Такое излучение конвертируется в свет с той же длиной волны и само может генерироваться с помощью обычного света, обеспечивая интерфейс между электронной и оптической обработкой информации. Метаматериалы, структурированные массивом наночастиц, используются в плазмонных устройствах различного назначения, потому что в металлических наночастицах как раз и возбуждаются плазмонные колебания.

Один из интересных, по мнению Сарычева, проектов в области наноплазмоники реализуется сейчас совместно специалистами физфака МГУ, ИТПЭ и Канадского фотонного центра в Оттаве. Речь идет о создании принципиально нового источника света — плазмонного лазера. Такой лазер представляет собой комбинацию квантовых точек и плазмонного резонатора. Его размеры составляют лишь несколько нанометров, что в десятки раз меньше полевых транзисторов, которые можно создать на кремниевой пластине. Матрица из таких элементов может стать основой оптических компьютеров, превосходящих существующие по быстродействию, экономичности и компактности.

Эти разработки пока находятся на поисковой стадии. Но есть и примеры устройств на метаматериалах, доведенных до промышленного уровня.

Металлические пленки и подложки с массивом нанометровых частиц используются для создания химических и биологических сенсоров. Чувствительность таких сенсоров повышается в миллионы и миллиарды раз за счет правильно выбранной наноструктуры металлических подложек. Это явление было открыто в 70-х годах прошлого века, оно носит название "гигантское усиление комбинационного рассеяния". Однако только сейчас становится понятной зависимость усиления сигнала от структуры подложки, что дает возможность оптимально выбирать эту структуру. Такие наноподложки производят уже многие компании, например Archilys Engineering (Япония), Mesaphotoniks Ltd (Англия), Nanospectra Biosciences (США), Inproteo (США).

Периодические металлические наноструктуры, взаимодействующие с пучками электронов, позволяют конструировать сверхчувствительные инфракрасные датчики, перенастраиваемые на любую часть ИК-диапазона. Разрабатывает такие датчики компания Applied Plasmonics (США).

Калифорнийским университетом, университетом Беркли и Аэрокосмической корпорацией в кооперации с фирмой Hitachi завершаются работы по созданию наноконденсора электромагнитного поля. Наноконденсор позволяет сконцентрировать поле в зоне размером в несколько нанометров и использовать этот эффект для сверхплотной магнитной записи. Все основные работы уже завершены, и в средине 2009 года устройство для сверхплотной записи информации должно поступить в продажу (если не помешает кризис).

Вероятно, это лишь первые шаги в освоении потенциала метаматериалов, но интересно, что идеи, возникшие при их исследовании, уже вышли далеко за пределы нанотехнологий. Например, развивается ряд проектов по защите зданий от шума с помощью структурированных экранов, делающих их "невидимыми" для звука. Есть даже проекты использования подобных структур для защиты домов от землетрясений.