Можно ли увидеть невидимое? Прорыв в электродинамике: анаполь позволит скрытно передавать данные
Сравнительно недавно в престижном журнале Physical Review X была опубликована научная статья на тему «Dielectric metamaterials with toroidal dipolar response». В ней шла речь о возможности создания метаматериалов, полностью прозрачных для электромагнитных волн за счет возбуждения в них особых мод- «анаполей».
Мы обратились к одному из авторов этой статьи Алексею Башарину, чтобы получить экспертное мнение относительно уникального явления в анапольной физике, а именно о неизлучающем «анаполе». Специально для нашего корпоративного блога на GT он согласился написать статью в научно-популярном формате и тезисно рассказать, в чем состояла уникальность его исследования, а также дать экспертный комментарий по статье, опубликованной в Nature Communications
Алексей Башарин, без сомнения, является выдающимся экспертом в своей области, получившем многолетний зарубежный опыт исследований в ведущих исследовательских университетах Греции и Франции. В данный момент Алексей проводит свое исследование в лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» под руководством Алексея Устинова.
Оборудование лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» для исследования метаматериалов в сверхпроводящем режиме, которое используется для исследования анаполя в метаматериалах с Джозефсоновскими переходами.
Анаполь (от греч. an — отрицат. частица и polos — полюс) представляет собой неизлучающий источник или рассеиватель, который способен излучать векторные потенциалы, в отсутствие излученных электромагнитных полей, а также рассеивать векторные потенциалы, в отсутствие полей. Благодаря этому мы можем получить уникальную возможность скрывать различные объекты, точнее экранировать их от электромагнитных полей и получить устройства для скрытой передачи данных. При этом передача данных возможна за счет модуляции векторного потенциала, а привычное распространение электромагнитных волн (света) в системе будет отсутствовать. Более того, это может означать, что множество объектов и источников в природе мы просто не видим, потому что они не взаимодействуют с электромагнитными полями, а взаимодействуют исключительно с потенциалами!
Анапольная (тороидная) электродинамика настолько интересна и необычна, что мы даже не можем сказать на сегодняшний день, как потенциалы могут распространяться в вакууме и других средах, как сильно они затухают, каков их процесс дифракции на различных объектах и т.д. И самое главное, как их принимать и детектировать. Ведь нет еще приборов, способных фиксировать потенциалы и их поля.
 |
Алексей Башарин, Научный сотрудник, эксперт Лаборатория «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» |
Что же такое тороидный диполь?
В 1957 году советский физик Яков Зельдович ввел понятие тороидного дипольного момента для объяснения нарушения честности в атомном ядре при слабых взаимодействиях. Тороидный диполь — это отдельный своеобразный элемент мультипольного разложения, соответствующий электрическим токам, циркулирующим на поверхности тора вдоль его меридианов (так называемые полоидные токи). Зельдович предположил, что такое возбуждение возникает за счет статических токов (анаполь), возникающих в атомном ядре. С тех пор, как существование статического тороидного диполя было предсказано, его значение было обсуждено в ряде твердотельных систем, включая сегнетоэлектрики и нано-ферромагнитики, мультиферроики, молекулярные магниты и др.
Намного меньше известен динамический тороидный момент. Хотя стандартное мультипольное разложение, известное из университетских учебников по электродинамике, описывает излучаемые источником поля, тороидный дипольный момент не включен в это разложение и часто исключается из рассмотрения в классической электродинамике и споры о его существовании и необходимости его введения в мультипольное разложение ведутся до сих пор. Будучи, физически отличным от динамического электрического дипольного момента (например, обычный электрический вибратор), источник, обладающий тороидным моментом, излучает с тем же самым угловым моментом и свойствами в дальней зоне. Следовательно, тороидный и электрические дипольные моменты неотличимы для любого удаленного наблюдателя.
Существование динамического тороидного диполя также показывает, что следует проявлять осторожность при установлении связи между свойствами дальнего поля электромагнитного источника и распределением заряда/тока, возбуждающего источник. Это относится ко многим областям науки, изучающей электромагнитные взаимодействия, и, в частности важно, для нанофотоники и плазмоники, где топология заряда/тока возбуждения служит для повышения локальных оптических полей. Кроме того, учитывая явную тороидальную топологию большого количества биологически важных макромолекул и белковых комплексов, вполне разумно ожидать, что исследования электромагнитных взаимодействий, связанных с тороидальным дипольным моментом могут объяснить многие биологические процессы в природе. Говоря более простым языком, если мы хотим определить от чего исходит, принятый нами сигнал при исследовании объектов с тороидной топологией, то мы можем принять этот объект за что-то другое и обладающего не тороидным моментом, а например электрическим. Т.е. сигнал, принятый от тороидного источника, мы можем принять за сигнал от обычной телевизионной антенны- электрического вибратора, при том что сами источники разные, а поля их излучения одинаковые! Вот отсюда и возникает необходимость учета тороидного момента!
Обнаружение тороидальных возбуждений является сложной задачей. Динамический тороидный диполь взаимодействует с curl B (вихрь магнитного поля) и слабо взаимодействует со свободным пространством, в то время как его проявление может быть замаскировано более сильными электромагнитными эффектами из-за электрических и магнитных дипольных моментов и даже электрического квадрупольного. Экспериментальное обнаружение тороидного отклика стало возможно только недавно, благодаря использованию концепции метаматериалов. Эта концепция дает возможность наблюдать новые и экзотические оптические явления, контролируя характер электромагнитного отклика с помощью искусственно структурированных сред в субволновом масштабе. Впервые тороидный дипольный отклик был продемонстрирован исследователями из Университета Саутгемптона (T. Kaelberer, V.A. Fedotov, N. Papasimakis, D.P. Tsai, and N.I. Zheludev, Toroidal Dipolar Response in a Metamaterial, Science 330, 1510 (2010)) в 2010 году в метаматериалах, состоящих из специально спроектированных металлических метамолекул тороидной топологии, с пониженными электрическим и магнитными дипольными моментами, в то время как тороидный отклик был спектрально выделен и повышен резонансно до измеряемого уровня. Эта демонстрация открыла путь к проверке удивительных явлений тороидной электродинамики и стимулировала работы по исследованию метаматериалов и плазмонных систем, проявляющих сильный тороидный отклик.
Существуют ли тороидный диполь и анаполь?
В 2015 году вышло сразу две публикации, посвященных обнаружению динамического тороидного отклика в диэлектрических частицах.
В первой статье, опубликованной нами, в престижном журнале Physical Review X, описываются мета-молекулы, состоящие из четырех близко расположенных диэлектрических микроцилиндров танталата лития, которые тем самым обеспечивают ближнепольную связь между Ми-резонансными магнитными модами m, возбужденными в каждом цилиндре. Эти моды соответствовали токам смещения j, осциллирующих в противоположных направлениях, относительно осей цилиндров и возбужденных плоской волной с вектором E, параллельного осям цилиндров.
Возбуждение тороидного момента в диэлектрической метамолекуле
Для узкого диапазона частот, магнитные моменты m (также как и магнитное поле H), которые осциллируют перпендикулярно осям цилиндров, образовывали динамический вихрь замкнутой петли магнитного поля, сильно сконцентрированного в пределах мета-молекулы. В идеальном случае такое состояние характеризуется нулевыми магнитными и электрическими мультипольными моментами, и ненулевым тороидным дипольным моментом T, осциллирующего вдоль оси мета-молекулы. Но обладая интересной тороидной топологией диэлектрического кластера, авторам удалось наблюдать в мета-молекулах необычную конфигурацию электромагнитных полей, при которой электрический и тороидный моменты, возбужденные в мета-молекуле, были равны по амплитуде, но противоположны по фазе и деструктивно интерферировали и не излучали полей вне мета-молекулы или, что тоже самое, не обладали радиационными потерями. Это следует модели «анаполя» по Зельдовичу или понятию стабильного атома по Бому и Вайнштейну (1948 год). Интересно, что метаматериал, состоящий из цилиндрических диэлектрических кластеров, априори имеет низкие диэлектрические потери. И, волна, распространяющаяся сквозь такой метаматериал, не замечает его и проходит через него без потерь! Благодаря «анапольным» возбуждениям, она не испытывает радиационных потерь, а благодаря диэлектрическим ингредиентам — тепловых или джоулевых потерь. Таким образом, метаматериал становится прозрачным и невидимым для наблюдателя.
Авторы второй статьи, опубликованной в Nature Communications, утверждают о наблюдении «анаполя» в кремниевых нанодисках. Это совместное исследование авторов из России, Австралии, Германии и Сингапура, демонстрирует, что в одиночных кремниевых частицах могут одновременно существовать тороидный и электрический дипольные моменты и при облучении их светом они образуют анаполь, в результате чего рассеянное такой частицей поле будет отсутствовать, и мы не сможем увидеть отраженный от нано-объекта свет.
Экспериментальный спектр рассеяния от силиконового нанодиска и поля, соответвтвующие анаполю (Nature Communications 6, 8069, doi:10.1038/ncomms9069)
По-сути «анаполь» работает как плащ невидимка Гарри Поттера или «cloaking» для наночастиц и скрывает их от удаленного наблюдателя. Это в идеале и в теории, но авторы показали в эксперименте, что деструктивная интерференция между тороидным и электрическим моментом, приводит к уменьшению поля рассеяния, но при этом в поле рассеяния все еще сохраняется вклад от магнитного квадропульного момента, который подавить, естественно, полностью нельзя. Но, тем не менее, исследователи наблюдали значительный ярко выраженный провал в спектре рассеяния частицей полей в дальней зоне. Этот результат подтверждает существование неизлучающего анаполя и невидимость, «скрываемого» им нанообъекта!
Так уж ли невидим неизлучающий «анаполь»?
Но так уж ли невидим неизлучающий анаполь на самом деле? Почти через 40 лет после работы Зельдовича, исследователи из ОИЯФ РАН, г. Дубна Афанасьев и др. теоретически предсказали, что при существовании в электродинамической системе анаполя, возникающего благодаря деструктивно интерферирующим электрического и тороидного диполей, возникает нетривиальная ситуация! В результате излучения такого источника, электрическое и магнитное поля отсутствуют вне его, но существуют незатухающие Векторные потенциалы! Что это обозначает?
В классической электродинамике векторный потенциал, введенный еще Пуассоном, достаточно часто трактовался как нефизическая величина, формально вводимая лишь для удобства электродинамических расчетов. Но, тем не менее, на протяжении времени, с введения в физику понятия потенциала, исследователи задаются вопросом: «Имеет ли векторный потенциал физический смысл или нет?». И если ответ- да, то как его можно измерить? Частично на этот вопрос отвечает знаменитый эффект Ааронова- Бома в статике, когда квантовая частица испытывает смещение фазы при пролете областей, в которых отсутствует магнитное поле, но существует векторный потенциал этого поля! Т.е. наблюдается безизлучательная передача информации о частице, а точнее модуляция информации без участия полей, т.о. эта информация скрытна. Несмотря на количество ссылок (~1500) на первоначальную работу Ааронова- Бома и попытки косвенного измерения векторного потенциала, вопрос о его физичности до сих пор открыт и долго-ожидаем многими исследователями и в разных областях. Динамический эффект Ааронова — Бома, более сложен и интересен! Как сделать неизлучающий источник, который бы излучал потенциалы, но не излучал электрического и магнитного полей? На этот вопрос классическая электродинамика дает вполне точный ответ, что если у нас отсутствуют поля, то должны отсутствовать и потенциалы этих полей! Но не для «анаполя» Зельдовича! Действительно, согласно работам Афанасьева, при деструктивной интерференции полей электрического и тороидного диполей, результирующие электрические и магнитные поля обратятся в нуль, но в тоже время векторный потенциал в нуль не обращается и не может быть исключен из рассмотрения калибровочными преобразованиями!
Возвращаясь к описанным выше частицам, обладающих анапольным моментом, мы ответим на вопрос, поставленный в заглавии статьи, что анаполь может быть обнаружен, но не благодаря полям, а за счет измерения векторных потенциалов. Таким образом, мета-частицы невидимые для наблюдателя, за счет возбуждения в них неизлучающего анаполя, на самом деле оказываются только «наполовину» невидимыми.
Векторный потенциал позволит обнаружить анаполь
Как же можно померить векторный потенциал, излучаемый или отраженный динамическим анаполем? Джозефсоновские переходы, интенсивно исследуемые в лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» и сверхпроводящие метаматериалы, в состав которых они входят, дают нам хорошие перспективы для обнаружения «анаполя» и его потенциала. В самом деле, Джозефсоновский переход является квантомеханическим объектом, а ток, протекающий через который, может модулироваться векторным потенциалом, облучающего его анапольного нетривиального неизлучающего источника и это дает нам уникальную возможность увидеть, или правильней будет сказать, «почувствовать» векторный потенциал, излучаемый анаполем и пролить свет на многие вопросы квантовой физики о существовании и физическом смысле векторного потенциала и на многие другие вопросы о применение его для передачи данных и о взаимодействие потенциала с различными природными средами?! 
Образец сверхпроводящего метаматериала с Джозефсоновскими переходами в держателе
В частности, явным прорывом будет применение описанных метаматериалов, в качестве элементов кубитов квантовых компьютеров, взаимодействие в которых осуществляется не за счет полей, а за счет потенциалов, что является задачей будущего, говорить о которой пока рано, в рамках этой статьи.
Таким образом, мы заканчиваем эту статью на оптимистичной ноте и надеемся в ближайшем будущем увидеть первые результаты лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» по обнаружению неизлучающего анаполя!
Рабочая камера лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» в которой проходят исследования метаматериалов в сверхпроводящем режиме для отыскания динамического анаполя.
