WIIKI.RU: Проведены экспериментальные наблюдения обратного эффекта Вавилова

Физика - это область естествознания, наука. Она изучает самые общие и фундаментальные закономерности, которые определяют структуру и эволюцию материальн... читать далее »

Новости по Физике

03.11.2009 13:52

Проведены экспериментальные наблюдения обратного эффекта Вавилова — Черенкова. Физика.

Физики из Университета Чжэцзян (Китай) и Массачусетского технологического института (США) доказали, что в материалах с отрицательной магнитной и диэлектрической проницаемостью излучение Вавилова — Черенкова распространяется в направлении, противоположном направлению движения вызывающих излучение частиц.

Электромагнитным излучением Вавилова — Черенкова сопровождается перемещение заряженных частиц со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в данной среде. Это излучение можно наблюдать, к примеру, на небольших исследовательских ядерных реакторах: для охлаждения и обеспечения радиационной защиты в них часто используется вода, и при работе активная зона оказывается окружена голубым свечением.

В «обычных» средах направление распространения излучения Вавилова — Черенкова совпадает с направлением движения заряженных частиц; в метаматериалах, обладающих отрицательным показателем преломления, все происходит с точностью до наоборот. Объяснить это несложно: достаточно записать выражение cos θ = c′/ν, связывающее величину угла θ (см. рис. ниже) при вершине конуса, которым расходится излучение, и отношение фазовой скорости распространения света c′ и скорости движения частицы ν. В метаматериале c′ становится отрицательной, вследствие чего и косинус угла θ принимает отрицательное значение, а сам угол превышает 90˚. Существование обратного эффекта Вавилова — Черенкова впервые теоретически предсказал советский физик Виктор Георгиевич Веселаго в 1967 году (см. статью в журнале «Успехи физических наук»); он же рассмотрел и другие интересные свойства метаматериалов с отрицательным показателем преломления, в частности обратный эффект Доплера.

Нередко для создания метаматериалов используют наборы двух элементов: резонаторов типа «разрезное кольцо», которые обеспечивают отрицательную магнитную проницаемость, и тонких металлических проводов, отвечающих за отрицательную диэлектрическую проницаемость. Ранее некоторые научные группы пытались наблюдать обратный эффект Вавилова — Черенкова в таких средах, однако столкнулись со значительными трудностями: дело в том, что пик интенсивности излучения приходится на УФ-область спектра, а метаматериалов, функционирующих на таких частотах, пока нет. В микроволновой области, методики создания метаматериалов для которой хорошо отработаны, излучение очень слабое.

Авторы рассматриваемой работы несколько модифицировали технологию формирования метаматериала и ту методику проведения эксперимента, которой пользовались их предшественники. Во-первых, они разместили резонаторы и металлические провода в одной плоскости, что дало возможность работать с электромагнитными волнами, у которых вектор напряженности магнитного поля направлен перпендикулярно плоскости распространения волны. Именно такая конфигурация позволяет определить направление выхода излучения Вавилова — Черенкова.

Во-вторых, ученые решили отказаться от использования реальных заряженных частиц и имитировали их поток с помощью электромагнитной волны, распространявшейся по волноводу, по всей длине которого были проделаны отверстия. Исследователи математически доказали, что при определенных условиях фазовая скорость волны в таком волноводе становится аналогом скорости движения заряженной частицы.

Эти усовершенствования позволили прямо наблюдать обратный эффект Вавилова — Черенкова в интервале частот 8,1–9,5 ГГц. В ближайшем будущем эксперимент, вероятно, удастся повторить с использованием действительных заряженных частиц: недавно были созданы метаматериалы оптического диапазона, а здесь интенсивность излучения Вавилова — Черенкова на порядки выше, чем в микроволновой области.

Направление распространения излучения Вавилова — Черенкова: слева — в «обычной» среде, справа — в метаматериале с отрицательным показателем преломления (иллюстрация Алана Стоунбрейкера).