Vieno fiziko vaizduotėje gimusi medžiaga gali sukelti medicinos vaizdų gavimo revoliuciją ir pateisinti daugelį kompiuterius kuriančių inžinierių lūkesčių. Apie tai rašoma anglų žurnale New Scientist" paskelbtame straipsnyje.
Daugiau kaip prieš trisdešimt metų vienas rusų fizikas išrado nepaprastą medžiagą. Tai nebuvo reali medžiaga, kurią galima sulenkti ar perlaužti. Viktoras Veselago sumąstė įsivaizduojamą substanciją ir pasidomėjo, kokiomis nežemiškomis savybėmis ji galėtų pasižymėti. Tuščias užsiėmimas, pasakytumėte jūs, tinkamas nebent kam nors, kas dirba Mokslų akademijos Fizikos institute. Bet Veselago darbas nebuvo beprasmiškas krapštymasis.
Visiškai priešingai, jis rėmėsi pačiais tvirčiausiais pagrindiniais mokslo dėsniais (elektromagnetizmo), iki to suformuluotais prieš šimtą metų Jameso Clerko Maxwello. Tais dėsniais nusakoma, kaip elgiasi šviesa bet kokioje medžiagoje. Veselago įsigeidė pažiūrėti kas atsitiks vienos iš dviejų į Maxwello lygtis įeinančių konstantų ženklą iš pliuso pakeitus į minusą. Jį domino, kokios būtų tokios medžiagos savybės, ir tikėjosi sulaukti įdomių netikėtumų.
Fizikas iškart suprato, kad jo tvarinys turėtų elgtis labai keistai. Septintojo dešimtmečio pradžioje Veselago netgi buvo nuvykęs į Europą ir ten pabandė paskleisti savo idėją, bet visi palaikė ją paprasčiausia keistenybe.
Praėjusiais metais viskas staiga pasikeitė, nes fizikai pranešė pagaliau sukūrę Veselago įsivaizduotą medžiagą. Ji nepanaši į jokias iki tol matytas medžiagas - primena deformuotą bičių korį, sudarytą iš pasikartojančiu raštu kietai sujungtų vielų ir keistų elektroninių komponentų. Po šio pranešimo pliūptelėjo tos medžiagos teorinių ir eksperimentinių tyrimų srautas. Ir keisčiausia, kad Veselago medžiaga ir kiti į ją panašūs dariniai dar keistesni ir naudingesni, nei jis kadaise galėjo numanyti.
Prieš šimtą metų iki Veselago mintinio eksperimento Maxwellas užrašė savąsias aprašančias lygtis, pvz., kaip šviesos elektromagnetinės bangos sklinda per stiklą, vandenį, orą ir kitus daiktus. Maxwellas suprato, kad nebūtina kruopščiai nagrinėti, kaip kiekviename medžiagos taške kinta du šviesos komponentai - virpantys elektriniai ir magnetiniai laukai, o skaičiavimų supaprastinimui pakanka įsivesti tam tikrus abiejų šių laukų dydžių medžiagoje vidurkius.
Jis nustatė, kad suvidurkinus kokius nors konkrečius svyravimų dažnius, lygtyse atsiranda pastovus daugiklis. Magnetinio lauko atveju šis vidurkinimo faktorius vadinamas magnetiniu įspūdingumu, o elektrinio lauko atveju - dielektrine skvarba. Šios konstantos ypač naudingos mokslininkams ir inžinieriams: jomis aprašomos bendros šviesos sklidimo kokia nors medžiaga charakteristikos ir gali būti naudojamos nustatant šviesos greičio ar lūžio rodiklio dydžius, kai medžiaga užlenkia šviesą.
Taigi kas įvyko, kai Veselago savo vaizduotėje sukūrė medžiagą, kurioje šių konstantų ženklas neigiamas? Šios fantastinės medžiagos viduje apsivertė įprastinis sąryšis tarp elektrinio ir magnetinio lauko.
Šviesą sudaro elektrinis ir magnetinis laukas, svyruojantys statmenomis vienas kitam ir šviesos sklidimui kryptimis (žr. pav.). Fizikai sugalvojo nedidelį triuką, palengvinantį prisiminti visas tris kryptis. Tas triukas vadinamas dešiniosios rankos taisykle. Nukreipiamas nykštys, rodomasis ir didysis pirštas taip, kad jie būtų nukreipti trim viena kitai statmenai kryptimis. Nykštys rodys kur link sklinda šviesa, rodomasis pirštas vaizduos elektrinio lauko plokštumą, o didysis - magnetinio lauko plokštumą.
Bet Veselago medžiagose šiems dydžiams geriau tinka ne dešinės, bet kairės rankos taisyklė - todėl jos vadinamos kairiarankėmis" medžiagomis.
Kairiarankei medžiagai būdingos labai keistos kelios savybės - neigiamas lūžio rodiklis. Tai reiškia, kad į tą medžiagą patekusi šviesa atsilenks į priešingą pusę, nei patekusi į tradicines medžiagas. Atvirkščias yra ir Doplerio efektas. Stiklu sklindančios šviesos dažnis truputį padidėja, jeigu šviesos šaltinis artėja prie stebėtojo. Kairiarankėse medžiagose dažnis mažėja.
Veselagui niekad neteko pačiupinėti kairiarankės medžiagos. Nors kai kurių medžiagų, pavyzdžiui, jonizuotų dujų, dielektrinė skvarba gali būti neigiama, natūralių medžiagų magnetinis įspūdingumas niekad nenukrinta žemiau nulio. Todėl Veselago negalėjo patikrinti savo pranašysčių realiose medžiagose.
Bet 1996 m. Londono Imperial College fizikas-teoretikas Johnas Pendry pradėjo mąstyti apie tai, kaip sukurti naująsias medžiagas. Su savo grupe jis ištyrė, kaip tvarkinga plonų laidžių vielų matrica paveikia tam tikrą elektromagnetinių bangų rūšį - mikrobangas. Jie prognozavo, kad vidutinis visų vielyčių poveikis bus toks, jog atrodys, kad bangos sklinda medžiaga, kurios dielektrinė skvarba neigiama.
Pendry pagalvojo, jeigu jau iš paprastų vielelių sukuriamos tokios egzotiškos medžiagos, tai gal jas galima gauti ir iš kitų elektronikos komponentų? Taigi pradėjo skaičiuoti kitų keistų mišinių tūrines savybes. 1999 m. jis paskelbė daugelio kitų medžiagų skaičiavimus. Viena tų medžiagų patraukė Kalifornijos universiteto, San Diege, Davido Smitho dėmesį. Pendry prognozavo, kad darinys, kuriame periodiškai išdėstyti paprasti elektroniniai komponentai, mikrobangų dažniuose gali turėti neigiamą magnetinį įspūdingumą. Elektriniai komponentai buvo perskelto žiedo rezonatoriai - C raidės formos grandynai, kurių dydis maždaug toks pat kaip ir didžiosios raidės šiame straipsnyje. Smithas ir jo kolegos iškart nutarė eksperimentiškai patikrinti Pendry rezultatus.
Nesunku buvo sukurti perskeltų rezonatorių matricą. Grupė paprasčiausiai pasinaudojo spausdintinių plokščių gamybos technologija. Po to jie supjaustė lakštus su rezonatoriais ir gautas dalis sudėjo vieną ant kitos. Bet jie nutarė padaryti dar geriau - sukurti tikrą kairiarankę medžiagą, turinčią neigiamą įspūdingumą ir neigiamą skvarbą.
Čia padėjo ankstesnių Pendry darbų analizė. Smithas paprasčiausiai įterpė tarp lakštų su rezonatoriais plonų vielyčių matricas. Kai vielyčių nebūna, medžiaga sugeria beveik visų dažnių mikrobangas. Bet kai buvo įdėtos vielučių matricos, paaiškėjo, kad apie 5 GHz dažniu mikrobangos pasklinda po darinį neslopinamos. Grupė taip pat nustatė, kad elektrinio ir magnetinio lauko kryptys apgręžiamos taip, kaip numatė Veselago. Prašosi daroma išvada: Smithas su kolegomis sukūrė pirmąją pasaulyje kairiarankę medžiagą.
Jų rezultatai paskelbti pernai, o darbas tęsėsi toliau. Savo ruožtu Pendry tęsė naujųjų medžiagų teorinius tyrimus. Praėjusių metų spalio mėnesį jis paskelbė tyrimą, kaip kairiarankės medžiagos veikia kelių nanometrų nuotolyje - vadinamajame artimajame lauke. Artimasis laukas yra savotiška prieblandos zona prie pat šviesos šaltinio - čia elektrinis ir magnetinis laukas kinta labai stipriai. Tokiame nuotolyje būna įvairiausių lauko komponentų, kurie normaliomis sąlygomis nepastebimi. Šie komponentai vadinami išnykstančiomis bangomis; jie sparčiai slopsta toliau nuo šaltinio. Už kelių bangos ilgių išnykstančios bangos pasidaro tokios silpnos, todėl fizikai jas visiškai pagrįstai ignoruoja.
Optinėje fizikoje išnykstančios bangos yra viena didžiausių problemų. Kadangi jos greitai slopsta, visa tų bangų turima detali informacija apie šviesos šaltinį prarandama. Nesvarbu, kokios kokybės būtų lęšis, be artimojo lauko jis niekuomet neduos idealaus šaltinio vaizdo - visuomet vaizdas liks kažkiek neryškus, o tai reiškia, kad šviesos negalima sufokusuoti į tašką, kuris daug mažesnis negu jos bangos ilgis. Šis apribojimas, sukeliantis nemažai visų taikymų problemų, vadinamas difrakcijos riba. Ši riba, pavyzdžiui, neleidžia pagaminti naudojant fotolitografijos procesus daugiau tranzistorių arba įrašyti daugiau informacijos DVD diskuose.
Pendry nustatė, kad teoriškai kairiarankės medžiagos gali pasižymėti savitomis savybėmis, leidžiančiomis atkurti išnykstančias bangas, jas sufokusuoti ir sudaryti idealų šaltinio vaizdą. Niekas šito fakto nebuvo labiau nustebintas negu pats Pendry. Tai buvo labai neįprasta ir netikėta idėja, ir aš nesitikėjau, jog ji dirbs", - sako jis. - Bet jis dar ir dar kartą patikrino matematinius išvedimus ir paskelbė rezultatus žurnale Physical Review Letters".
Pats fokusavimas labai skiriasi nuo to, kaip veikia įprastinis lęšis. Įsivaizduokite šviesos šaltinį, esantį vos per kelis nanometrus nuo plono kairiarankės medžiagos strypelio. Šaltinis spinduliuoja šviesą, taip pat ir išnykstančiąsias bangas, kurios patenka į medžiagą ir priverčia svyruoti joje esančius elektronus. Kadangi strypelis labai plonas, šviesa ir išnykstančiosios bangos praeina jį priversdamos svyruoti ir esančius prie tolimojo paviršiaus elektronus. Prie vieno paviršiaus elektronų judėjimas per elektrinį lauką veikia judėjimą, vykstantį prie kito paviršiaus, todėl esant tam tikram svyravimų dažniui šie judėjimai ima rezonuoti. Būtent šis rezonansas ir sustiprina terpę paliekančias išnykstančiąsias bangas.
Plokščias strypelis sufokusuoja šviesą lyg lęšis ir sukuria vaizdą, kadangi medžiagos lūžio rodiklis yra neigiamas. Skirtingai nuo tradicinių lęšių, negalinčių fokusuoti išnykstančiųjų bangų, šis vaizdas gaunamas idealus - todėl Pendry saviesiems kairiarankių medžiagų strypeliams sukūrė superlęšio terminą. Aišku, kad būtų sugaudytos išnykstančiosios bangos, lęšis turi būti priartinamas daug arčiau nei per šviesos bangos ilgį. Matomosios šviesos bangose tai būtų kelios dešimtys nanometrų. Pendry sutinka, kad visa tai sudarytų nemažai problemų, bet, pavyzdžiui, atominės jėgos mikroskopijoje jau pasiektas toks objektų pozicionavimo tikslumas. O jei jūs dirbate su radijo bangomis, artimasis laukas nusitęs per daugelį centimetrų, todėl bus keliami kur kas mažesni tikslumo reikalavimai surenkant lęšį.
Keistos medžiagos, panašios į tas, kurias sukūrė Smithas su kolegomis, gali būti mikrobangų ir radijo bangų diapazono superlęšiais. Tiesą sakant, Smitho grupė ką tik sukūrė pirmąjį mikrobangų neigiamo lūžio rodiklio superlęšį. Bet Pendry mano, kad matomos šviesos diapazone bus galima naudoti kur kas įprastesnes medžiagas. Sidabras ir kiti metalai matomos šviesos diapazone turi neigiamą dielektrinę skvarbą, bet jų magnetinis įspūdingumas yra teigiamas. Pendry suskaičiavo, kad išnykstančiųjų bangų atveju galima nekreipti dėmesio į įspūdingumą, todėl 40 nm storio sidabro plokštelė, patalpinta per 20 nm nuo šaltinio, veiktų kaip superlęšis. Iki šiol niekas to nepastebėjo vien dėl to, kad nenorėjo", - sako jis. - Mes dar nesame tikri, ką būtų galima padaryti, bet kelios mintys atėjo į galvą."
Kitos Pendry idėjos jau pradedamos taikyti. Vieni labiausiai perspektyvių technikos srityje yra magnetinio rezonanso vaizdai (MRI). MRI įrenginiuose bandinys - paprastai pacientas -patalpinamas į galingą magnetinį lauką. Didelio dažnio radijo bangų pliūpsnis priverčia vandens molekulėse esančius branduolius savotiškai suktis ir perspinduliuoti radijo bangas kitame, charakteringame medžiagai dažnyje. Šis signalas panaudojamas kuriant kompiuterinius vaizdus, kurie vėliau naudojami diagnozuojant įvairius susirgimus, pavyzdžiui, vėžį. Šiems įrenginiams reikia superlaidžių magnetų, bet jie yra ir brangūs, ir griozdiški. Įrenginio dydis neleidžia ją naudoti realiu laiku stebint chirurginę operaciją.
Pendry superlęšiai visa tai labai pakeitė. Vasario mėnesį Pendry ir jo bendradarbiai paskelbė kairiarankių medžiagų savybių panaudojimo radijo bangų perdavimui į toli nuo įrenginio esantį detektorių preliminarių bandymų rezultatus. Grupei pavyko tai padaryti apsukus plona laidžios medžiagos spirale 20 cm ilgio plastiko strypelį ir supakavus daug tokių strypelių į vieną ryšulį, kurie veikia ne kaip lęšis, o kaip bangolaidis, perduodantis radijo bangas iš bandinio branduolių į detektorių. Grupė paskelbė šiuo būdu gautą nykščio vaizdą. Jeigu pavyktų panaudoti mažesnius išorinius detektorius, MRI skeneriai taptų mažesni ir pigesni. Galbūt superlęšiai netgi galėtų sufokusuoti radijo bangas į mažytes bandinio vietas ir leistų gauti didesnės skyros vaizdus.
Tikėtina, kad superlęšiai gali turėti milžinišką įtaką gaminant silicio grandynus. Dabar fotolitografijoje tranzistorių dydį riboja naudojamos šviesos bangos ilgis. Kadangi superlęšiais sufokusuojamos detalės, kurios nepriklauso nuo šviesos bangos ilgio, jie pašalins ir šį barjerą, leisiantį mikroelektronikos pramonei pagaminti vis mažesnius ir mažesnius lustus. Kompaktinėse plokštelėse ir DVD diskuose įrašytos informacijos kiekis irgi ribojamas tradicinių lęšių dėl sugebėjimo sufokusuoti šviesą į nedidelę dėmelę. Čia taip pat galėtų padėti superlęšiai.
Jie galėtų netgi pagerinti radijo antenų veiką. Radaro pluošteliai sukuria papildomą spinduliuotę, sklindančią statmenai pagrindiniam pluošteliui; dėl to atsiranda triukšmai ir sumažėja radarų efektyvumas. Pendry mano, kad superlęšiai galėtų išvalyti šoninę spinduliuotę ir padaryti pagrindinį pluoštelį kryptingesnį. Iš Los Angeles universiteto Ely Yablonovitch bando sukurti kairiarankę medžiagą, kuri padėtų sumažinti apšvitinimą mobiliųjų telefonų spinduliuote.
Pendry įsitikinęs, kad šios medžiagos turi didelę ateitį. Mes vis dar esame pačioje pradinėje stadijoje, bet ilgainiui atsiras vis daugiau taikymo sričių. Kai buvo išrasti lazeriai, žmonės irgi nelabai žinojo kur juos panaudoti, - pasižiūrėkit, kas dedasi dabar."
