ГлавнаяНаукаФизикаКвантовые технологииМеталлическая сетка как плащ-невидимка: физики разработали покрытие, подавляющее рассеяние одновременно на двух частотах
Металлическая сетка как плащ-невидимка: физики разработали покрытие, подавляющее рассеяние одновременно на двух частотах
Ученые из МФТИ в сотрудничестве с коллегами из Китая создали простое покрытие из метаматериала, которое эффективно подавляет рассеяние даже от объектов, размеры которых значительно превышают длину волны. Это первая в своем роде структура на основе металлической сетки, которая обеспечивает снижение заметности сразу на двух частотах. Результаты работы открывают путь к практическим многочастотным стелс-технологиям и снижению радиолокационной заметности. Статья опубликована в журнале Laser & Photonics Reviews.
Чтобы сделать объект менее заметным для радиолокационных приборов, нужно снизить его рассеяние. Именно это можно сделать с помощью специальных метаматериалов (epsilon-near-zero), диэлектрическая проницаемость которых близка к нулю. Эта величина характеризует взаимодействие среды и электромагнитной волны. Если она стремится к нулю, то волна в такой среде ведет себя необычно: длина волны в таком материале становится огромной, а рассеяние существенно ослабляется.
Обычно такие метаматериалы имеют сложную структуру и работают только на одной частоте, определяемой свойствами материала. Еще одним серьезным ограничением является то, что методы подавления рассеяния эффективно работают только для маленьких объектов с размерами значительно меньше длины волны.
В своем новом исследовании физики из МФТИ и Китая создали простой по структуре математериал, который обеспечивает подавление рассеяния одновременно на двух частотах. Более того, этот эффект не зависит от угла и может быть применен для больших объектов. Проще говоря, покрытие ведет себя как среда, которая не мешает падающей волне, но затормаживает рассеянные объектом волны. Таким образом покрытие снижает заметность объекта.
«Мы хотели показать, что можно подавлять рассеяние не только у маленьких частиц, но и у объектов размером больше длины волны, причем сразу в двух частотных диапазонах и при разных направлениях наблюдения. Для этого мы использовали не классический „плащ-невидимку”, а сравнительно простое покрытие на основе металлической сетки, которое ведет себя как анизотропная среда с почти нулевым показателем преломления в определенных направлениях»,— рассказал Александр Шалин, главный научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Конструкция покрытия технологически проста: она состоит из периодической решетки крестообразных металлических элементов, размещенных слоями. При моделировании в качестве объекта, рассеяние которого нужно было подавить, использовали металлический куб, помещенный внутрь этого метаматериального покрытия.
Ученые объяснили механизм действия двумя эффектами: практически нулевой диэлектрической проницаемостью в двух направлениях и граничными условиями для электромагнитного поля на металлической поверхности кубика. Вместе эти факторы приводят к тому, что часть рассеянных волн плохо распространяется в покрытии и быстро затухает.
«Если говорить совсем образно, падающая волна „почти не замечает” сетчатую оболочку, а вот волны, которые объект пытается рассеять наружу, оказываются в среде, где им трудно распространяться»,— объяснил Александр Шалин.
Численные результаты показали, что разработанная структура снижает рассеяние одновременно на двух частотах: около 12,8 и 18,2 ГГц. Важно отметить, что размер куба, который «скрывали», составлял 35 мм, что превышает длину волны на рабочих частотах; на второй частоте размер куба больше двух длин волн. Для традиционных методов компенсации рассеяния это было бы крайне трудно, поскольку у больших объектов возникает много каналов рассеяния, которые сложно подавить одновременно.
Рисунок: Двухдиапазонное метаматериальное покрытие для подавления рассеяния. (a) Схема куба-рассеивателя, встроенного в металлическую сетку из метаматериала. Источник: журнал Laser & Photonics Reviews
Затем физики изготовили реальный образец на гибких печатных платах и провели эксперимент в микроволновом диапазоне. Они измерили распределение электрического поля вокруг объекта. После этого, поворачивая объект, дополнительно проверили, что подавление работает при разных ориентациях.
Эксперимент подтвердил двухполосное подавление рассеяния, однако рабочие частоты в эксперименте оказались ниже расчетных — около 10,7 и 16,2 ГГц. Исследователи объясняют это тем, что в реальном образце диэлектрическая подложка и пеноматериал увеличивают эффективную диэлектрическую проницаемость, что и привело к сдвигу частот. Также результаты показали, что снижение рассеяния куба сохраняется при повороте до 45 градусов, что говорит о том, что эффективность покрытия не зависит от угла падения.
Эта работа показала, что простой метаматериал на основе металлической сетки может одновременно решать сразу несколько ключевых ограничений предыдущих технологий подавления рассеяния. Потенциальные применения включают снижение радиолокационной заметности металлических объектов, защиту антенн и радиотехнических систем от нежелательных переотражений, задачи электромагнитной совместимости, а также более широкое управление распространением волн в микроволновом и терагерцовом диапазонах.
В дальнейшем авторы планируют сделать структуру более глубоко субволновой, перейти от двухполосного к многополосному или более широкополосному, а также сделать покрытие перестраиваемым по частотам. Отдельная перспектива — перенос данной концепции в терагерцовый и оптический диапазоны. Это потребует другой технологии изготовления и учета потерь, но сама физическая идея — подавлять рассеяние через анизотропную среду с почти нулевой диэлектрической проницаемостью — остается очень перспективной.
Работа поддержана Российским научным фондом (грант №23-72-00037).
