Цивилизация
Ультразвуковые и подводные устройства — звуковые локаторы, возможно, скоро претерпят качественное изменение в точности измерений. Применение суперлинз, эффективных для звуковой волны, позволит в восемь раз повысить увеличение и разрешающую способность приборов.
С помощью этой технологии можно регистрировать информацию, которую содержат в себе затухающие волны. Они несут больше данных, чем обычные распространяющиеся волны, но обычно локализованы в области источника излучения и затухают слишком быстро, чтобы их могла «видеть» обычная линза.
Существование суперлинз – приборов, изготовленных из материалов с отрицательным показателем преломления, – было предсказано в 1967 году советским ученым Виктором Веселаго. Польза таких приборов заключается в том, что они преодолевают так называемый дифракционный предел: дифракция происходит только в том случае, если длина волны используемого излучения и размер регистрируемого объекта примерно одинаковы. Именно поэтому, например, с помощью обычного света нельзя регистрировать молекулярные структуры – он воспринимает их лишь как более крупные объекты, состоящие из очень большого количества молекул. Атомы можно различать только с помощью рентгеновского или синхротронного излучения.<4>
Однако тогда, 40 лет назад, материаловедение находилось на совершенно другом уровне, и несколько лет упорных экспериментов не позволили найти такой материал. Идея «всплыла» уже в XXI веке. В 2007 году из метаматериала – композита на основе металла и диэлектрика (нанонитей серебра и оксида алюминия) – была получена суперлинза для видимого света. С ее помощью удалось получить изображения объектов размером меньше 150 нм при дифракционном пределе для видимого света в 260 нм.
Теперь аналогичное устройство получено для звуковых волн. О нем рассказывается в последнем выпуске Nature Materials.
Основным недостатком метаматериалов является их ориентированность на определенную длину волны, под которую звук не подпадает. Однако ученым удалось обойти эту проблему и создать гиперлинзу, не использующую материал с отрицательным показателем преломления. Улучшение качества изображение в ней достигается из-за возможности регистрации затухающих волн.
Разработанное устройство (на рисунке) состоит из 36 латунных «перьев», расположенных в виде раскрытого дамского веера. Каждое перо имеет толщину 3 мм. Перья расположены в латунной «тарелке», из которой они были «вырезаны». Они расширяются из центра полукруга, на котором расположены, от 2,7 см до 21,8 см. Каждое «перо» занимает промежуток в 2,5 градуса, такие же промежутки между соседними перьями. Большая разница между внутренним и внешним радиусами прибора позволяет регистрировать больший диапазон волн и получать изображение, увеличенное в восемь раз.<2>
В текущем варианте исполнения гиперлинза позволила успешно получить двумерное изображение объекта размером в 6,7 раз меньше, чем длина волны звука. Теперь ученые планируют усовершенствовать технологию и научиться получать трехмерные изображения. В этом случае линза должна представлять собой не полукруг, а полусферу с трехмерными «лучами» полостей. Кроме того, они планируют совместить гиперлинзу с технологиями, использующими эхо. Это поможет принципиально улучшить как медицинские приборы УЗИ (например, видеть очень маленькие опухоли, чтобы начинать лечение в самом зачатке болезни), так и подводные радары-эхолоты (различать тонкие особенности строения объектов).