Группа ученых применила методы теоретической физики, чтобы исследовать резонансный электромагнитный отклик пирамиды Хеопса на воздействие радиоволн. Обнаружено, что в условиях резонанса пирамида может концентрировать электромагнитную энергию во внутренних камерах и фокусировать ее в пространство под своим основанием. Результаты исследования физики планируют использовать при проектировании наночастиц, которые смогут воспроизводить подобные эффекты в оптическом диапазоне. Такие наночастицы нужны, например, для разработки сенсоров и эффективных солнечных элементов. Исследование опубликовано в Journal of Applied Physics.

Египетские пирамиды окружены множеством мифов и легенд, а достоверной научной информации о них очень мало. Например, физические свойства пирамид почти не изучены, а ведь эти данные могут оказаться интереснее многих вымыслов. Это подтвердили результаты нового совместного исследования ученых Университета ИТМО и Лазерного центра Ганновера. Физики заинтересовались тем, как пирамида будет взаимодействовать с электромагнитными волнами соразмерной или, другими словами, резонансной длины. Расчеты показали, что в таком резонансном состоянии пирамида способна концентрировать электромагнитное поле. Энергия может концентрироваться во внутренних камерах пирамиды, а также фокусироваться в пространстве под ее основанием, где располагается третья недостроенная камера пирамиды.

Такие выводы ученым удалось сделать благодаря численному моделированию и аналитическим методам физики. Сначала исследователи оценили, что резонансными для пирамиды будут радиоволны с диапазоном длин от 200 до 600 метров. Затем смоделировали электромагнитный отклик пирамиды и рассчитали сечение экстинкции. Эта величина позволяет оценить, какую часть энергии падающих волн пирамида может рассеивать и поглощать в резонансных условиях. Затем для этих же условий ученые получили распределения электромагнитных полей внутри пирамиды.

Чтобы объяснить полученные результаты, ученые провели мультипольный анализ. Этот метод широко применяется в физике для изучения взаимодействия сложного объекта с электромагнитным полем. Объект, рассеивающий поле, при этом заменяется на множество более простых источников излучения — мультиполей. Совокупность излучения мультиполей дает такую же картину, как рассеяние поля целым объектом. Поэтому, зная тип каждого мультиполя, можно предсказать и объяснить распределение и конфигурацию рассеянных полей в системе.

Физики обратили внимание на пирамиду Хеопса при изучении особенностей взаимодействии света с диэлектрическими наночастицами. Рассеяние света наночастицами зависит от их размера, формы и показателя преломления материала, из которого они состоят. Варьируя эти параметры, можно определить резонансные режимы рассеяния и использовать их при разработке устройств для управления потоками света на наноуровне.

«Учитывая большой интерес к Египетским пирамидам, мы решили взглянуть на Великую пирамиду как на частицу, резонансно рассеивающую радиоволны. Из-за недостатка сведений о физических свойствах пирамиды, нам пришлось использовать некоторые допущения. Например, мы считали, что никаких неизвестных полостей в ней нет, а материал, из которого она сделана, однородно распределен в ее объеме и имеет свойства обычного известняка. В рамках сделанных предположений мы получили ряд интересных результатов, которые могут найти важные практические применения», ‒ рассказывает доктор физико-математических наук Андрей Евлюхин, научный руководитель и координатор выполненных исследований.

Теперь ученые планируют использовать полученные результаты, чтобы воссоздать похожие эффекты на наномасштабе. «Подобрав материал с подходящими электромагнитными свойствами, можно получить наночастицы пирамидальной формы, перспективные для практического применения в разработке наносенсоров и эффективных элементов для солнечной энергетики», — отмечает кандидат технических наук Полина Капитанова, сотрудник Физико-технического факультета Университета ИТМО.

Работа выполнена при поддержке Российского Научного Фонда (гранты № 17-79-20379 и №16-12-10287)

Статья:

Electromagnetic properties of the Great Pyramid: First multipole resonances and energy concentration

M. Balezin, K.V. Baryshnikova, P. Kapitanova and A.B. Evlyukhin

Journal of Applied Physics, 20 July 2018

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5026556