Снять с полки микроскоп и рассмотреть под ним — не комара или волос, и даже не крупные растительные клетки — а частицы вируса в капле крови… Или — крупные молекулы? Просто дух захватывает от возможностей убить время в компании с таким инструментом. Не говоря уж о перспективах для науки и электроники. Не хватает главного: суперлинзы.

Прямое и обратное преломление
Идея метаматериала, предложенного Дарду Гани: цвета демонстрируют магнитные поля, создаваемые плазмонами; черные стрелки — направление тока в слоях металла; цифры соответствуют петлям электромагнитного поля, за счет которых возникает отрицательный коэффициент преломления

В самом деле, чтобы рассмотреть предмет, длина волны излучения, которое от него отражается, должна быть заметно меньше самого предмета. К дифракционному пределу оптических линз (около 200 нм) мы уже давно подошли, а для самых мелких объектов приходится использовать более коротковолновое излучение, вплоть до рентгеновских и гамма-лучей. Для того же, чтобы рассмотреть нанометровые объекты, нередко требуется сканирующий туннельный микроскоп, работающий на совершенно иных принципах. И в любом случае — требуется сложнейшая и дорогая аппаратура, тонкая подготовка образцов и прочее, и прочее, что делает наблюдения за микромиром уделом специалистов, а никак не увлеченных «популярных механиков».

Однако еще несколько десятилетий назад Виктор Веселаго теоретически обосновал создание искусственных метаматериалов с отрицательным показателем преломления: микроструктура этих метаматериалов особым образом взаимодействует с проходящим сквозь нее излучением. На поверхности ее свет преломляется, лучи его сходятся и снова расходятся, а выходя из метаматериала, преломляются еще раз. При особым образом подобранной структуре изображение, составленное вышедшими из метаматериала лучами, содержит детали даже более мелкие, чем длина их волны.

Сегодня уже делаются первые шаги по практическому получению таких метаматериалов. Они обещают нам целый ряд удивительных новинок, включая «плащ-невидимку» и — ту же «суперлинзу», очередной шаг к обретению которой сделали недавно ученые из группы американского профессора Дарду Гани (Durdu Guney). По расчетам авторов, их материал позволит получать посредством лучей оптического спектра изображения объектов размерами до 100 нм — в тысячи раз меньше толщины человеческого волоса.

Главный секрет здесь — в плазмонах, условных частицах, «квантах колебания» свободного электронного газа, которые возникают на поверхности тонких металлических пленок в метаматериале, содержащем также сферические наноструктуры. Возбужденные внешним электромагнитным полем, они улавливают падающие на них фотоны излучения и отражают их так, как если бы метаматериал обладал отрицательным показателем преломления. В отличие от аналогичных работ, метаматериал, предложенный Гани и его коллегами, демонстрирует отрицательное преломление для всего видимого спектра.

Когда же дело дойдет до практики, производство метаматериалов нужной структуры, по общему мнению экспертов, будет совсем недорогим. Ну а получившиеся суперлинзы можно использовать не только в науке, но и в литографии для получения сложных объектов совсем крошечных размеров, а также в электронике, в цифровых фотоаппаратах — и, конечно, в домашних микроскопах. «С суперлинзой ученым сможет стать каждый», — говорит Гани.

По пресс-релизу Michigan Technological University