Юный техник, 2011 № 05 - Журнал «Юный техник»

«Первоначально мы назвали свое детище «Турист», что означает «телеуправляемый робот-исследователь сухопутных территорий», но потом по согласованию со специалистами ИМБП, где проходит эксперимент «Марс-500», робот получил второе имя — «Гулливер», — рассказал Валерий Ивченко, проректор по научной работе Московского государственного университета приборостроения и информатики (МГУПИ), где был создан «марсоход». Оснащенный манипулятором робот может брать и доставлять на посадочный модуль образцы грунта и куски породы весом до 200 г, а также расставлять на исследуемой поверхности приборы и аппаратуру. Его высокую мобильность обеспечивают три пары «ног»-колес, которые приводятся в движение шестью двигателями, а шесть «глаз»-видеокамер, установленных на платформе и на манипуляторе, позволяют сидящим у монитора «марсонавтам» следить за работой механического помощника и управлять им по радио.

ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ

«Антизеркала» дают возможность творить чудеса

Зеркало — одно из самых древних изобретений человечества. В них смотрелись красавицы, им приписывали магические свойства, их использовали в оптике и астрономии…

В нынешнем, XXI веке вдруг выяснилось, что наряду с обычными зеркалами существуют еще и некие антизеркала…

Многим известен такой простой физический фокус. Если поставить друг напротив друга два зеркала, а между ними поместить горящую свечу, то в зеркальном отражении можно увидеть некий бесконечный коридор, освещенный множеством свечей.

А вот недавно китайские ученые из университета Сучоу впервые продемонстрировали другой удивительный оптический эффект. А именно, если перед их антизеркалом — так они назвали свое устройство — поместить две или больше свечей, то их изображение не размножится, а сольется воедино, как будто горит одна свеча.

Но само свечение становится при этом ярче.

«Эффект основывается на суперлинзе с отрицательным коэффициентом преломления», — поясняют исследователи. Для наглядной демонстрации свойств своего антизеркала они поместили по разные стороны суперлинзы два цилиндра (а свечи, как известно, тоже цилиндрической формы). В итоге с любой стороны от линзы наблюдатель видел только один цилиндр. Авторы разработки пояснили, что подобный эффект достигается за счет увеличения амплитуды так называемых исчезающих волн, что является одной из особенностей суперлинз.

Сами же суперлинзы изготовляются из так называемых метаматериалов. Так, если помните, называются искусственно созданные вещества с необычными свойствами. Они содержат периодически повторяющиеся микроструктуры, обуславливающие необычное взаимодействие материала с электромагнитными волнами.

Наибольшую известность получили метаматериалы, проявляющие необычные оптические свойства. Мы уже рассказывали, что именно метаматериалы используются для создания «шапок-невидимок» — устройств, с помощью которых стараются сделать невидимыми те или иные объекты. Из аналогичного материала была создана и суперлинза, обладающая отрицательным коэффициентом преломления. Такие линзы создавались и раньше, но никто поначалу не обращал внимания, что они могут проявлять «антизеркальные» свойства.

Руководитель исследовательской группы Киньянг Чен пояснил, что «исчезновение» объектов в суперлинзах происходит из-за того, что изображения каждого цилиндрического проводника перекрывают друг друга. Такое иногда можно видеть на сцене, когда танцоры прячутся, выстраиваясь в затылок друг другу, и зрители видят вместо нескольких человек одного.

По мнению исследователей, «антизеркальный эффект» может применяться как в системах твердотельного освещения, например в светодиодной технике, так и в источниках когерентного света, таких как лазеры. На данный момент одним из существенных препятствий в развитии светодиодной техники является получение яркости, достаточной для создания систем общего освещения. Одним из способов увеличения яркости является помещение нескольких светодиодов в один корпус, однако в таком случае излучение лампы становится неоднородным.

С помощью же новой технологии можно создать иллюзию одиночного источника света с высокой яркостью. Также предложенный учеными метод может позволить «сложить» воедино несколько лазерных лучей, создав один луч огромной мощности.

Не существовавший ранее в природе тип отражающей поверхности создали и британские физики. Для стороннего наблюдателя новое зеркало отражает видимый свет так же, как обычное. Но на деле — принципиально по-другому, утверждают Александр Шванеке и его коллеги из Центра нанофотоники университета Саутгемптона (Великобритания).

Тут, очевидно, нужно пояснить, что и обычное зеркало имеет особенность, на которую мало кто обращает внимание. Отражая свет, оно не только направляет световые лучи в соответствии с законом отражения (угол падения равен углу отражения), но проделывает со светом еще одну, незаметную для глаз вещь. А именно: зеркало меняет фазу электрической составляющей электромагнитной волны на противоположную, оставляя фазу магнитной составляющей неизменной.

Так ведут себя естественные материалы при отражении лучей. А вот магнитное «антизеркало», созданное Шванеке, действует прямо противоположным образом — при отражении электромагнитной волны оно обращает магнитную составляющую колебаний, но не затрагивает электрическую. Так что в сравнении с зеркалом обычным его тоже можно было бы назвать антизеркалом.

Интересно, что созданное британскими учеными зеркало работает в видимом диапазоне световых волн, так что теоретически в него можно посмотреться. Правда, сделать это непросто, поскольку зеркало представляет собой квадратик со стороной 500 микрометров. Но даже если бы такое зеркало сделали большим — зрительно никто бы разницу не заметил. А вот в экспериментах с интерференцией, спектрометрией, излучением отдельных молекул — разница уже ощущается.

Авторы устройства говорят, что его экзотические свойства могут пригодиться во многих экспериментах со светом, в создании новых типов фотодатчиков или элементов систем связи. Тем более что, по их словам, можно построить такое же зеркало и для инфракрасного диапазона.

И в данном случае секрет изобретения заключается в том, что фактически это зеркало — метаматериал. Точнее, само зеркало состоит из двух слоев подложки (сначала алюминий, сверху — диоксид кремния) и рабочего слоя, выполненного из алюминия, но не сплошного, а в виде упорядоченной структуры из волнистых нанопроводов, образующих рисунок типа «рыбья чешуя». Причем размер «чешуек» — меньше длины волны падающего света, так что на поверхности даже малого зеркала таких элементов поместился целый миллион. «Чешуйки» как раз и отвечают за отражение электромагнитной волны столь неправильным образом.

УДИВИТЕЛЬНО, НО ФАКТ!

Математические способности… микробов

Согласитесь, трудно заподозрить бактерии в умении считать. Однако, как показали недавние исследования зарубежных ученых, несмотря на это, их можно использовать для создания компьютеров, которые ждет большое будущее. Во всяком случае, в том уверен журнал Nature Biotechnology.

Биологи и математики Университета Западного Миссури совместно со своими коллегами из Колледжа Дэвидсона (Северная Каролина) несколько лет изучают возможность построения биологического компьютера, пишет журнал. Для этого они провели детальный анализ ДНК бактерий Escherichia coli и на их основе смогли построить бактериальную вычислительную систему, способную разрешить несколько фундаментальных проблем математики.

Одной из них является так называемая проблема Гамильтонова пути, названная так в честь ирландского ученого Уильяма Гамильтона, жившего в XIX веке (1805–1865). Этот путь представляет собой ломаную линию, которая вписана в сложную трехмерную фигуру таким образом, что проходит через каждую ее вершину только один раз.

Сам Гамильтон сумел решить эту задачку на примере додекаэдра — правильного 12-гранника. Однако при переходе к фигурам с большим количеством вершин сложность задачи быстро растет.

Микробы, оказывается, способны решать проблемы Гамильтонова пути не только на примере додекаэдра (справа).

Обычные компьютеры тоже начинают буксовать, когда количество вершин переваливает за несколько десятков. Между тем решение этой задачи для возможно большого числа вершин и граней имеет огромное значение не только для теоретической науки, но и для практического применения. Например, при построении компьютерных сетей, в которых сигнал должен с минимальными потерями пройти от начала до конца, побывав в каждом ключевом узле не более одного раза. Задача кажется простой и даже тривиальной для точек, расположенных на прямой, но по мере усложнения структуры превращается в головоломку.