Пара нетривиальных ходов — и казавшийся нереализуемым вид материалов наконец-то создан. Но ведёт он себя несколько загадочно, но так даже интереснее, не правда ли? (кратко об этом мы уже писали).

В последние годы был создан, по сути, новый класс материалов, в которых за счёт структурных особенностей удалось добиться отрицательного коэффициента преломления.

По мнению большинства исследователей, это означает возможность преодоления дифракционного предела. Предположительно, это позволит получить суперлинзы — приборы, с помощью которых можно будет увидеть объекты, недоступные обычным оптическим устройствам. Наконец, уже удалось продемонстрировать невидимость в определённых диапазонах видимого света, а в перспективе речь идёт о достижении полной невидимости.

Рис. 1. Одно из потенциально весьма полезных применений метаматериалов — маскировка объектов. Однако потери в резонаторах такого «плаща-невидимки» могут ослабить изучение, попадающее в глаза наблюдателю за маскируемым объектом, и вызвать у последнего подозрения. (Иллюстрация Nature News).

Правда, существующие метаматериалы имеют ограничения. Пропуская электромагнитное излучение через ряды резонаторов, они становятся причиной его частичных потерь за счёт внутренней проводимости своих отдельных элементов. Казалось бы, наиболее очевидный путь борьбы с этой сложностью — использование сверхпроводящего резонатора. Однако идея, красивая в теории, оказалась тяжела для практической реализации.

• Во-первых, сверхпроводники требуют низких температур, что делает экспериментальные установки громоздкими и дорогими.
• Во-вторых, сверхпроводниковые резонаторы — это, по сути, квантовые устройства со «странными» свойствами. В частности, их параметры резко меняются в зависимости от физической формы резонатора; даже ничтожная разница выливается в другую резонансную частоту.

Последствия очевидны: в общем случае метаматериал — это ряды периодически повторяющихся структур с одинаковыми свойствами, чем-то напоминающие кристаллические, и если свойства резонаторов будут колебаться, то фокуса не получится.

И вот группа физиков под руководством Алексея Устинова из Технологического университета Карлсруэ (Германия) собрала набор из двадцати сверхпроводящих квантовых цепей, расположенных в микроволновом резонаторе. Алюминиевые схемы в ниобиевом резонаторе работали при 20 мК, что само по себе уже достижение.

Чтобы добиться функционала от первого в мире метаматериала, действующего, так сказать, в «квантовом поле», учёные сначала минимизировали разницу между каждой квантовой цепью так, чтобы ток в любой из них отличался от тока в соседней менее чем на 5%. Но одно это не решило бы всех проблем.

Квантовая цепь влияет на входящий фотон, взаимодействуя с ним. До сих пор все попытки разработки квантовых метаматериалов сводились к созданию цепей, расположенных последовательно, так что при взаимодействии со входящим фотоном они действовали как суперпозиция состояний всех цепей. Поэтому, если хоть одна из них работала не так, от метаматериала оставалось лишь его название.

Группа г-на Устинова обошла препятствие, разместив квантовые цепи внутри микроволнового резонатора — камеры, по размеру соответствующей входящим микроволнам. Чтобы «вступить в контакт» с фотоном, каждая квантовая цепь нуждалась лишь во взаимодействии с самим резонатором и его ближайшими соседями. Разумеется, их нормальной работы оказалось добиться куда легче, чем для всего «ансамбля» цепей.

Рис. 2. Вверху: схема экспериментального материала с 20 кубитами в микроволновом резонаторе. Внизу: параметры его работы. (Иллюстрация Alexey V. Ustinov et al).

Что из всего этого вышло?

Квантовый метаматериал заработал — по крайней мере частично. Взаимодействие с квантовыми цепями меняло фазу исходящего фотона, хотя и не очень сильно, но вполне заметно для последующего измерения. Кроме того, опыты показали, что вначале восемь цепей влияли на входящие фотоны совместно, но через какое-то время группа распалась на две по четыре цепи.

Учитывая, что остальные условия эксперимента, включая температуру и параметры входящих фотонов, не менялись, возникает вопрос о причинах столь странного поведения квантовых цепей. Поиском ответа учёные обещают заняться в следующей работе.

Впрочем, даже несмотря на неясности в поведении первого квантового метаматериала, нельзя не отметить, что он открывает новые, весьма интересные перспективы. На его основе можно создать как детекторы одиночных фотонов, так и весьма эффективные устройства по изучению квантового двойного лучепреломления, а также — кто знает — метаматериалы, которые окажутся эффективнее нынешних, неквантовых.

С препринтом рассмотренной работы можно ознакомиться здесь.