К теории шапок-невидимок

Если кто не в курсе, то шапки-невидимки в последние годы стали реальностью модным направлением классической оптики. Под шапкой-невидимкой понимают некую специальную оболочку с особыми оптическими свойствами, благодаря которым она как бы обводит падающий на нее свет вокруг помещенного внутрь неё тела. В идеале получается так, что фронт световой волны на выходе становится снова плоским, невозмущённым, так что внешний наблюдатель не сможет отличить эту ситуацию от просто пустого пространства. Подробнее см. в заметках Возможность существования плаща-невидимки сведена к математической теореме, Шапка-невидимка обрела объём и в более ранней записи Шапка-невидимка, шапка-неслышимка и шапка-недотрожка.

Казалось бы, для того, чтобы шапка-невидимка работала, надо тело обязательно помещать внутрь шапки. Оказывается, нет, не обязательно. В свежем Phys.Rev.Letters появилась статья, в которой как раз описывается схема, при которой шапка-невидимка делает невидимым тело, находящееся снаружи неё.

В принципе, идея проста. Для того, чтобы скомпенсировать свет, рассеянный телом, надо сделать так, чтоб шапка-невидимка сама рассеивала свет "в противофазе" с телом. В результате свет, рассеянный телом, и свет, рассеянный шапкой, деструктивно интерферируют, и наблюдатель опять же не видит никакой разницы с пустым пространством. В некотором смысле, надо внутри шапки создать "оптический анти-объект", рассеянный свет которого будет гасить рассеянный свет от объекта.

Такой трюк, конечно, удастся проделать, только если заранее известна форма объекта, поскольку внутри шапки нужно создать "оптический анти-объект" строго определённой формы. Это не настоящее тело, конечно, а просто область внутри шапки с иными электромагнитными характеристиками. Выглядит это примерно так:


А вот как выглядит результат рассеяния плоской волны на системе объект+шапка:



Маленькая загогулина внутри оболочки -- это и есть анти-объект. Кстати, освещать тело можно не только плоской, но и расходящейся волной:


Искажения фронта всё равно отсутствуют.

Несколько неожиданно тут то, что объект теряется из виду при освещении или взгляде с любой стороны. Так получается потому, что авторы работы немного "схитрили" -- они рассматривали освещение стационарной монохроматической плоской или сферической волной. Если бы вместо этого на тело направили узкий луч или, того хуже, осветили бы его нестационарным светом (короткими световыми импульсами), то тело сразу бы проявилось. Ну и длина волны, которым освещают тело, тоже должна быть известна -- иначе подобрать правильный анти-объект нельзя. Но это всё стандартные проблемы шапок-невидимок.

Так что вот вам совет на (отдалённое) будущее -- если вы посветили фонариком в темноту и ничего не заметили, то на всякий случай посветите еще короткими импульсами или наденьте светофильтр на фонарик -- мало ли кто там прячется в шапке-невидимке :)

Ну а если серьезно, то до практической реализации тут очень и очень далеко. Слишком экзотическими свойствами должны обладать материалы для того, чтобы эффективно прятать тело. Это всё пока рассматривается только как занятные упражнения на стыке математики и электродинамики.

Ссылки:

• Yui Lai et al, Complementary Media Invisibility Cloak that Cloaks Objects at a Distance Outside the Cloaking Shell, Phys. Rev. Lett. 102, 093901 (2009).
  
• Рассказ про эту работу: Th. Philbin, Cloaking at a distance, Physics 2, 17 (2009).
  

Статья, кстати, в свободном доступе.