Электромагнитная маскировка основывается на управлении распространением волн таким образом, чтобы объект становился невидимым или труднодоступным для обнаружения в определённом диапазоне частот. Главный замысел состоит в том, чтобы входящие электромагнитные волны огибали объект, не рассеиваясь и не отражаясь, и в конечном счёте возвращались в исходное направление распространения. Для этого используются метаматериалы с пространственно изменяющимися электрическими и магнитными параметрами.
Ключевым понятием здесь является трансформационная оптика, которая описывает, как преобразование координатного пространства может быть реализовано в виде распределения диэлектрической проницаемости ε и магнитной проницаемости μ. Таким образом, объект в физическом пространстве оказывается «свернутым» в математической метрике, а падающая волна ведёт себя так, как если бы объект отсутствовал.
Основу теоретического подхода составляют уравнения Максвелла в криволинейных координатах. Если применить преобразование координат, то можно показать, что эквивалентный материал, имитирующий искажение пространства, должен обладать анизотропными и неоднородными параметрами ε и μ:
$$ \varepsilon'^{ij} = \frac{J^{i}_{k} J^{j}_{l}}{\det J} \varepsilon^{kl}, \quad \mu'^{ij} = \frac{J^{i}_{k} J^{j}_{l}}{\det J} \mu^{kl}, $$
где J — якобиан преобразования координат.
Это соотношение показывает, что метаматериал для маскировки должен быть пространственно неоднородным, часто тензорным и анизотропным. Подобные условия практически невозможно реализовать в природных материалах, что и делает метаматериалы уникальным инструментом.
Одной из первых и наиболее известных моделей является сферический плащ. Пусть в пространстве с радиусом R2 необходимо замаскировать объект радиусом R1. Путём радиального сжатия пространства (отображение r ∈ [0, R2] → r′ ∈ [R1, R2]) получают метаматериал с радиально зависящими параметрами:
$$ \varepsilon_r = \mu_r = \frac{r - R_1}{r}, \quad \varepsilon_\theta = \mu_\theta = \varepsilon_\phi = \mu_\phi = \frac{r}{r - R_1}. $$
Такой материал перенаправляет электромагнитные лучи вокруг области r < R1, создавая иллюзию пустого пространства.
Реализация идеального плаща сопряжена с серьёзными проблемами:
В результате большинство реализованных систем являются квазимаскировочными: они уменьшают заметность объекта в ограниченном диапазоне частот или углов, но не делают его полностью невидимым.
Помимо трансформационной оптики, развиваются и другие методы маскировки:
Скрытие за счёт рассеяния (scattering cancellation cloak). Идея состоит в том, чтобы покрыть объект оболочкой с такими параметрами, которые обеспечивают интерференционное подавление рассеянной волны. Этот метод проще в реализации, но работает лишь для объектов малых размеров относительно длины волны.
Метаповерхности. Тонкие двумерные структуры способны перенаправлять фронты волн и формировать нужный фазовый профиль. В отличие от громоздких трёхмерных плащей, метаповерхности легче изготавливаются и могут использоваться для частичной маскировки.
Активная маскировка. Используются адаптивные элементы, которые генерируют противофазные волны, компенсируя отражение от объекта. Такой метод особенно перспективен в радиочастотном диапазоне.
Фундаментальные законы физики накладывают ограничения на идеальную маскировку:
Современные исследования направлены на преодоление ограничений за счёт:
Электромагнитная маскировка остаётся не только фундаментальной задачей теоретической физики, но и направлением с потенциалом практического применения в радиолокации, телекоммуникациях и защите информации.