Невидимые объекты из изотропных материалов

В Институте прикладной физики Российской академии наук впервые разработана электродинамическая модель «невидимых» объектов из изотропных материалов – объектов, которые не искажают электромагнитное (ЭМ) поле произвольных источников монохроматического излучения за пределами поверхности объекта. Модель построена методами трансформационной оптики с использованием операции конформного преобразования трёхмерного пространства, которая ранее не была известна. Аналогичные модели разрабатывались ранее при проектировании маскирующих покрытий: «плащей невидимок», «суперлинз» и ряда других объектов с необычными электродинамическими свойствами. Было известно, что трёхмерный невидимый объект может быть сделан только из материалов с одинаковой диэлектрической и магнитной проницаемостью. Считалось также, что материал должен обязательно обладать определённой анизотропией электромагнитных свойств. В работах ИПФ РАН было впервые показано, что объекты из изотропных материалов тоже могут быть невидимыми.

Простейший невидимый объект нового типа состоит из сферического «ядра» с положительным однородным показателем преломления и «согласующего покрытия» – сферического слоя вещества с отрицательным радиально-неоднородным показателем преломления (Рис. А). Установлено, что при падении ЭМ волны на такой объект в нём формируется волновой пучок, который переносит энергию поля через объект, а за пределами границ пучка возникает энергетический вихрь – волновое поле с замкнутыми линиями тока энергии, что указывает на способность объекта накапливать ЭМ энергию подобно резонатору (Рис. В). При стремлении радиуса ядра к нулю запасённая в вихре энергия неограниченно растёт, и объект превращается в невидимую «чёрную дыру». Показано также, что в ядре объекта образуется уменьшенная копия ЭМ поля, в которое помещён объект (Рис. С), благодаря чему его можно было бы использовать для дистанционного измерения ЭМ полей.

Эффект генерации энергетического вихря проходящей через объект волной ранее известен не был. Он должен наблюдаться и в невидимых объектах из анизотропных материалов с проницаемостями разных знаков.

Рис. А. Показатель преломления
r₀ и r₁ – внешний и внутренний радиусы покрытия.

Рис. В. Линии тока энергии при падении на объект плоской электромагнитной волны; кривые чёрного цвета изображают траектории потока энергии, проходящего сквозь объект; красными линиями показаны траектории циркуляции энергии внутри объекта, создаваемой энергетическим вихрем.

Рис. С. Иллюстрация эффекта копирования плоской и сферической ЭМ волн невидимым объектом. Комплексные амплитуды напряжённостей электрического E₁(r) и магнитного H₁(r) полей в ядре объекта связаны с напряжённостями полей E(r), H(r) в сферическом объёме свободного пространства r < r₂ = r₀² / r₁ соотношениями E₁(r) = n₁E(n_₁r), H₁(r) = n₁H(n₁r), n₁ = r₀² / r₁², 0 < r < r₁.

Публикации:

Л. С. Долин «Невидимые сферические объекты из изотропных материалов» // Изв. вузов. Радиофизика. 2021. Т. 64, № 2 , С.138–152.
Lev S. Dolin. About copying a free-space electromagnetic field by an invisible object // Journal of the Optical Society of America B. 2021, Vol. 38, No. 8, pp. 2338–2342.