Фестиваль науки в году пройдет. Лекционная программа
МОСКВА, 26 сен — РИА Новости, Ольга Коленцова. Порой достижения современных технологий можно принять за волшебство. Только вместо магии работает точная наука. Одними из областей исследований, результаты которыхмогли бы вполне послужить иллюстрацией свойств "сказочных атрибутов", являются разработка и создание метаматериалов.
Математики нашли способ превратить метаматериал в "световой компьютер" Математики выяснили, что свойства метаматериалов можно в теории изменить так, что набор из нескольких разных кусочков таких соединений сможет производить сложные математические операции с одиночными лучами света.С чисто физической точки зрения метаматериалы представляютсобой искусственно сформированные и особым образом выстроенныеструктуры, обладающие недостижимыми в природе электромагнитными или оптическими свойствами.Последние определяются даже нехарактеристиками составляющих их веществ, а именно структурой.Ведь из одинаковых материалов можно построить похожие внешне дома, но один будет обладать отличной звукоизоляцией, а в другом вы будете слышать даже дыхание соседа из квартиры напротив. В чем же секрет? Только в умении строителя распоряжаться предоставленными средствами.
На данный момент материаловеды уже создали немало структур, свойства которых не встречаются в природе, хотя и не выходят за рамки физических законов. Например, один из созданных метаматериалов может управлять звуковыми волнами так ювелирно, что те удерживают в воздухе небольшой шарик. Он состоит из двух решеток, собранных при помощи кирпичиков, заполненных термопластовыми стержнями, которые уложены "змейкой". Звуковая волна фокусируется словно свет в линзе, и исследователи считают, что данное устройство позволит им развить управление звуком до возможности изменять его направление, как сейчас меняют ход светового луча при помощи оптики.
© Иллюстрация РИА Новости. А.Полянина
© Иллюстрация РИА Новости. А.Полянина
Другой метаматериал может перестраивать сам себя. Объект из него собирается без помощи рук, ведь изменение формы можно запрограммировать! Структура такого "умного" материала состоит из кубов, каждую стенку которых составляют два внешних слоя из полиэтилентерефталата и один внутренний из двусторонней клейкой ленты. Эта конструкция позволяет изменить форму, объем и даже жесткость объекта.
Но самыми удивительными свойствами обладают оптические метаматериалы, которые могут менять визуальное восприятие реальности. Они "работают" в диапазоне волн, которые видит человеческий глаз. Именно из таких материалов ученые создали ткань, из которой можно изготовить плащ-невидимку.
Правда, пока невидимым в оптическом диапазоне можно сделать только микрообъект.
Возможность создания материала с отрицательным углом преломления предсказалеще в 1967 году советский физик Виктор Веселаго, но только сейчас появляются первые образцы реальных структур с такими свойствами. Благодаря отрицательному углупреломления , лучи света огибают объект, делая его невидимым. Таким образом, наблюдатель замечает лишь то, что происходит за спиной надевшего "чудесный" плащ.
© Фото: Xiang Zhang group, Berkeley Lab/UC Berkeley
© Фото: Xiang Zhang group, Berkeley Lab/UC Berkeley
Последнее достижение в создании оптических метаматериалов принадлежит российским ученым из НИТУ "МИСиС". Причем "ингредиенты" использовались самые обычные — воздух, стекло и вода. Работа ученых удостоилась публикации в одном из самых высокорейтинговых журналов мира Scientific Reports издательского дома Nature . , каждый такой образец может стоить тысячи евро, — подчеркнул научный сотрудник лаборатории "Сверхпроводящие метаматериалы" НИТУ "МИСиС", кандидат технических наук Алексей Башарин.— К тому же вероятность ошибки при формовании такой системы очень высока даже с применением самых высокоточных инструментов.Однако если создать более крупномасштабный материал, в котором будут не оптические (400-700 нм), а радиоволны(длиной в 7-8 см), физика процесса от такого масштабирования не изменится, зато технология их создания станет проще."
Изучая свойства созданных структур, авторы работы показали, что у такого типа веществ есть сразу несколько практических применений.Прежде всего это сенсоры сложных молекул, так как последние, попадая в поле метаматериала, начинают светиться. Таким способом можно определять даже единичные молекулы, что потенциально может существенно отразиться на развитии, например, судебной криминалистики. Кроме того, такой метаматериал можно использовать как светофильтр, выделяя из падающего излучения свет определенной длины.Еще он применим как основа для создания сверхнадежной магнитной памяти, потому что структура ячеек метаматериала не дает им перемагничивать друг друга и тем самым терять информацию.
Виктор Георгиевич Веселаго
Почти 40 лет назад советский ученый Виктор Веселаго выдвинул гипотезу о существовании материалов с отрицательным показателем преломления:
Метаматериалы - это композитные материалы, свойства которых обусловлены не столько индивидуальными физическими свойствами их компонентов, сколько микроструктурой. Термин «метаматериалы» особенно часто применяют по отношению к тем композитам, которые демонстрируют свойства, нехарактерные для объектов, встречающихся в природе.
Волновое уравнение
Из уравнений Максвелла для однородной нейтральной непроводящей среды следует, что в электромагнитных полях возможно распространение электромагнитных волн с фазовой скоростью
В вакууме эта скорость равна скорости распространения света
Таким образом фазовая скорость распространения э-м. волн в веществе определяется магнитной и диэлектрической проницаемостью сред.
Отношение скорости света в вакууме к|до| скорости света в среде - n называют абсолютным показателем преломления среды
Виктор Веселаго выдвинул такую гипотезу:
«Если не учитывать потерь и считать n, ε и μ действительными числами, то видно, что одновременная смена знаков ε и μ никак не отражается на соотношении. Такое положение может быть объяснено различными способами. Во-первых, можно признать, что свойства веществ действительно не зависят от одновременной смены знаков ε и μ. Во-вторых, может оказаться, что одновременная отрицательность ε и μ противоречит каким-либо основным законам природы, и поэтому вещества с ε < 0 и μ < 0 не могут существовать. Наконец, следует признать, что вещества с отрицательными ε и μ обладают какими-то свойствами, отличными от свойств веществ с положительными ε и μ. Как мы увидим в дальнейшем, осуществляется именно этот третий случай.»
«Правые» и «Левые» изотропные среды
Пусть в однородной нейтральной непроводящей среде в направлении оси х распространяется плоская электромагнитная волна, волновой фронт которой перпендикулярен направлению распространения.
Векторы и образуют с направлением распространения волны правовинтовую систему, в фиксированной точке пространства меняются с течением времени по гармоническому закону в одной фазе.
Такие среды, соответственно, называют «правыми».
Среды, у которых ε, μ — одновременно отрицательные, называют «левыми».
У таких сред электрический, магнитный и волновой вектора образуют систему левых векторов.
Действительно, если толкнуть маятник рукой, он послушно переместится в направлении толчка и начнет колебаться с так называемой резонансной частотой. Подталкивая маятник в такт с качанием, можно увеличить амплитуду колебаний. Если же толкать его с более высокой частотой, то толчки перестанут совпадать с колебаниями по фазе, и в какой-то момент руку ударит маятник, движущийся ей навстречу. Точно так же электроны в материале с отрицательным показателем преломления входят в противофазу и начинают сопротивляться «толчкам» электромагнитного поля.
Таким образом в 1968 г. Веселаго показал, что у вещества с отрицательными ε и μ показатель преломления n должен быть меньше 0.
Экспериментальное подтверждение .
Электроны в материале движутся вперед и назад под действием электрического поля и по кругу под действием магнитного. Степень взаимодействия определяется двумя характеристиками вещества: диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью μ. Первая показывает степень реакции электронов на электрическое поле, вторая — степень реакции на магнитное. У подавляющего большинства материалов ε и μ больше нуля.
Отрицательные ε или μ получаются в том случае, когда электроны в материале движутся в направлении, противоположном по отношению к силам, создаваемым электрическим и магнитным полями. Хотя такое поведение кажется парадоксальным, заставить электроны двигаться против сил электрического и магнитного полей не так уж сложно.
Где и как такие вещества искать?
Первое экспериментальное подтверждение возможности создания материала с отрицательным показателем преломления было получено в 2000 г. в Калифорнийском университете в Сан-Диего (UCSD). Поскольку элементарные кирпичики метаматериала должны быть значительно меньше длины волны, исследователи работали с излучением сантиметрового диапазона и использовали элементы размером в несколько миллиметров.
Ключ к такого рода отрицательной реакции — резонанс, то есть стремление колебаться со специфической частотой. Он создается в метаматериале искусственно с помощью крошечных резонансных контуров, имитирующих отклик вещества на магнитное или электрическое поле. Например, в разорванном кольцевом резонаторе (РКР) магнитный поток, проходящий через металлическое кольцо, наводит в нем круговые токи, аналогичные токам, обуславливающим магнетизм некоторых материалов. А в решетке из прямых металлических стержней электрическое поле создает направленные вдоль них токи. Свободные электроны в таких контурах колеблются с резонансной частотой, зависящей от формы и размеров проводника. Если приложено поле с частотой ниже резонансной, будет наблюдаться нормальная положительная реакция. Однако с увеличением частоты отклик становится отрицательным, так же как в случае с маятником, движущимся навстречу, если толкать его с частотой выше резонансной. Таким образом, проводники в некотором диапазоне частот могут реагировать на электрическое поле как среда с отрицательной ε, а кольца с разрезами могут имитировать материал с отрицательной μ. Эти проводники и кольца с разрезами и есть элементарные блоки, необходимые для создания широкого ассортимента метаматериалов, в том числе таких, которые искал Веселаго.
Калифорнийские ученые сконструировали метаматериал, состоящий из чередующихся проводников и РКР, собранных в виде призмы. Проводники обеспечивали отрицательную ε, а кольца с разрезами — отрицательную μ. В результате должен был получиться отрицательный показатель преломления. Для сравнения была изготовлена призма точно такой же формы из тефлона, у которого n = 1,4. Исследователи направили пучок СВЧ-излучения на грань призмы и измерили интенсивность волн, выходящих из нее разными углами. Как и ожидалось, пучок подвергся положительному преломлению на призме из тефлона и отрицательному на призме из метаматериала.
Следствия.
Преломление на границе раздела двух сред с различной правизной.
Суперлинза.
Простая плоскопараллельная пластинка из метаматериала с n<0 может фокусировать лучи от источника на малом расстоянии от неё см. рисунок ниже.
Плоскопараллельная пластинка из метаматериала с n<0
В правой среде пространство изображений линзы нетождественно самому предмету так как оно формируется без затухающих (evanescent) волн. В левой среде затухающие волны не затухают, даже наоборот их амплитуда увеличивается при удалении волны от предмета, поэтому изображение формируется с участием затухающих волн, что может позволит получать изображения с лучшим, чем дифракционный предел, разрешением. Возможно преодоление дифракционного предела при создании таких оптических систем, повышение с их помощью разрешающей способности микроскопов, создание микросхем наномасштаба, повышение плотности записи на оптические носители информации.
Отрицательное давление
Отражение луча, распространяющегося в среде с n < 0, от идеально отражающей поверхности. Луч света при отражении от тела увеличивает свой импульс на величину , (N-число падающих фотонов). Световой давление, оказываемое светом на поглощающие правые среды, сменяется его притяжением в левой среде.
Новости
В начале 2007 г. было заявлено о создании метаматериала с отрицательным показателем преломления в видимой области. У материала показатель преломления на длине волны 780нм был равен −0.6
В 2011 году вышли статьи- в США апробирована технология, которая позволяет в массовом порядке производить большие листы метаматериалов
Метаматериалы методом печати
Вывод
Изучение и создание новых метаматериалов с уникальными свойствами позволит в ближайшем будущем значительно продвинуться вперёд человечеству во многих областях науки и техники. Это и астрономические исследования благодаря суперлинзам, преодолевающим дифракционный предел разрешения; альтернативные источники энергии - появятся новые солнечные батареи с КПД более 20%; материалы - невидимки и т.д. Количество направлений в исследованиях огромно и самое главное, они успешны.
6–8 октября 2017 года , Москва, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова и другие площадки.
События Фестиваля пройдут в течение трех дней и на других площадках столицы - в МИСиС, Лингвистическом университете, МГТУ имени Н. Э. Баумана, Университете дружбы народов, Политехническом институте, Государственном Дарвиновском музее… Всего 90 площадок по всей Москве встретят гостей, интересующихся наукой.
На Центральной площадке Фестиваля (Интеллектуальный центр - Фундаментальная библиотека МГУ и Шуваловский корпус МГУ) пройдут научно-популярные лекции, выставки, игры, анимации, макеты, научно-популярные видеофильмы.
Неизменным остается девиз Фестиваля -
«Сделай свое открытие».
Цель проведения Фестиваля
NAUKA0+ - увлечь наукой детей, подростков, студентов и всех, кому интересен окружающий мир, рассказать, чем занимаются ученые, как научный поиск улучшает качество жизни, какие перспективы он открывает современному человеку.
Организаторы:
Министерство образования и науки Российской Федерации,
Департамент науки, промышленной политики и предпринимательства г. Москвы,
Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова.
Главная тема Фестиваля науки 2017 года - станет такой феномен как «BigData» («Большие данные»), который отражает глобальный рост современной науки, а также тенденции развития новейших компьютерных технологий. В это понятие входят такие сферы, как цифровые технологии, IT, экология, информационная безопасность, медицина и др.
Наиболее значимые мероприятия Фестиваля науки:
- Лекторий «Золотые лекции» в Фундаментальной библиотеке МГУ. Здесь гости фестиваля смогут послушать открытые лекции именитых российских и зарубежных учёных, лауреатов государственных премий РФ и Нобелевских лауреатов.
- Открытая лекция легендарного сооснователя компании Apple Стива Возняка.
- Крупнейшая интерактивная научно-популярная выставка. Часть выставки будет посвящена будущему и настоящему российской космонавтики. Каждый посетитель сможет ознакомиться с сенсационными открытиями в космической отрасли за последние 100 лет. Некоторые экспонаты будут представлены публике впервые.
- Телемосты с Международной космической станцией, ЦЕРН. Это уникальная возможность узнать все о космосе и современной науке из первых уст – лично от космонавтов МКС и ведущих мировых ученых в режиме реального времени.
- Захватывающие научные шоу.
- Работа открытых научных лабораторий для детей в Фундаментальной библиотеке МГУ. Здесь каждый ребенок сможет примерить на себя новую и совсем взрослую роль: физика, химика, инженера.
- Работа большой роботехнической зоны в Фундаментальной библиотеке МГУ. Новейшие роботы будут активно общаться с публикой, демонстрировать свои возможности и даже проявлять эмоции.
- Увлекательная выставка Объединенной авиастроительной корпорации. Среди экспонатов гости Фестиваля увидят модели реактивных самолетов и смогут получить начальные навыки пилотирования современного истребителя на действующем тренажере. А известные летчики, ученые и авиаконструкторы расскажут о настоящем и будущем российской авиации.
- Экскурсионные туры по лабораториям и музеям.
- Мастер-классы от ведущих изобретателей с мировым именем.
- Научные дискуссии о будущем человечества.
- Показы актуальных научно-познавательных фильмов от телеканала НАУКА 2.0.
- Конкурсы для юных изобретателей «Ученые будущего».
- Образовательная академия для учителей.
- многое другое.