讓電磁波轉彎——關于隱身斗篷的消息

     
加州大學的隱身斗篷
隱身斗篷（invisibility cloak）能改變光的波長，讓光像流水一樣環繞著流過斗篷而不產生反射折射。目前這個斗篷基本上能在微波下“隱身”了。據說隨著今后科學技術的進步，這東西就能完全的讓我們“視而不見”。
加州大學伯克利分校的科學家已經在隱形衣研究方面取得重大進步，哈里·波特的隱身工具可能很快就會變成現實。他們已經設計出兩種新材料，一種利用網狀金屬層，另一種利用很細的銀絲，這兩種材料既不吸收陽光，也不反射陽光，而是使光線沿原路返回。這種隱形衣的工作原理是折射作用，折射作用導致水中的麥稈看起來變彎了。
浙江大學畢業生劉若鵬和美國科學家共同研制出一種可以扭曲微波的隱身斗篷。這種斗篷的運作秘訣就在于它能令微波的路徑變彎。它的設計如果完美，那么穿著的人或它覆蓋的建筑物和工業用地都會隱身,造成上視覺上的看不見。
人之所以能看見物體，因其阻擋了光波通過，中科院物理所一名光學研究人員對記者表示，理論上來說，要是能讓光“轉彎”，研制出“隱身衣”是完全有可能的。
浙江大學博士生陳紅勝，曾在美國物理學頂級學術刊物《物理評論快報》發表論文，首次解隱身衣的物理機制。“應該是讓電磁波‘轉彎’，繞著物體走，繞過障礙物，這樣物體就能‘隱身’。”陳紅勝表示。隱身衣的研究在國外非常熱，由于該技術有很好的保密效果，被認為可廣泛應用在軍事上，如用在飛機和潛艇上，雷達就很難探測到它們的存在。

      來自美國加州大學伯克利分校的研究人員，由華裔教授張翔領導的研究小組，成功研制出新型的三維材料，能夠使光線通過時發生彎曲，從而神秘“消失”。打個比方，當流水經過一塊石頭時，水流會繞過石頭，然后繼續向前，就像沒有遇到石頭一樣。
超材料的問世
    張翔及其同事研制的材料之所以能夠改變光線的傳播方向，歸功于其“負折射”的特性。與之相比，所有的天然材料都具有正折射率。
    折射過程可以用這樣一個經典圖示來說明：筷子插入水中的部分看起來似乎向水面方向彎曲。假如水顯示出負折射的特性，筷子被水淹沒的部分看上去則似乎是跳出了水面。如果將筷子換成一條魚，我們也可以看到類似的效果。
負折射示意圖
    既然天然材料無法實現“負折射”，科學家們想到人工研制出一類超材料（metamaterials）。通過對材料的結構進行人為設計，來獲得超出自然界固有的普通性質的超常材料功能。
    超材料的理論和實驗發展，直接催生了“隱身衣”研究。2006年初，倫敦帝國理工大學的潘德瑞教授（John Pendry）提出“隱身衣”的可行性構想，超材料能夠讓光線繞過物體，從而使物體隱形。當年年底，潘德瑞和美國杜克大學的舒里希（David Schurig）、史密斯（David Smith）等科學家，共同展示了一種超材料。
　　這兩年，超材料逐漸成為國際上的一個研究熱點。
　　不過，科學家們拿出的超材料魔力還十分有限：只在單層的二維材料上取得了成功，而且“負折射”特性只出現在微波范圍。對于波長更短的光，比如人眼適應的可見光，還無能為力。也就是說，這些超材料還無法制造成在那種人眼前消失的“隱身衣”。
可見光的消失
　　張翔領導的研究小組，則將超材料和“隱身衣”的研究往前推進了一步。
　　這個研究小組，分別在8月13日出版的《自然》雜志網絡版和8月15日的《科學》雜志發表論文，報告了兩種合成超材料的方法。
　　在《自然》論文中，研究小組描述了一種三維“漁網”形的超材料。他們將導電的銀和不導電的氟化鎂交替堆疊在一起，并在層與層之間挖出納米（一根頭發絲的直徑大致相當于10萬個納米）尺寸的漁網圖樣。
可見光的消失
　　張翔領導的研究小組，則將超材料和“隱身衣”的研究往前推進了一步。
　　這個研究小組，分別在8月13日出版的《自然》雜志網絡版和8月15日的《科學》雜志發表論文，報告了兩種合成超材料的方法。
　　在《自然》論文中，研究小組描述了一種三維“漁網”形的超材料。他們將導電的銀和不導電的氟化鎂交替堆疊在一起，并在層與層之間挖出納米（一根頭發絲的直徑大致相當于10萬個納米）尺寸的漁網圖樣。
三維超材料

伯克利研究人員獲得的三維超材料，左為結構示意圖，右為掃描電子顯微鏡下的圖片。
　　這樣，在波長最大不超過1500納米，即近紅外線的范圍內，出現了負折射。研究人員解釋說，每對相鄰導電層之間都會形成一個電流環路，交替堆疊則產生一系列環路，這些環路被用來響應入射光線產生的磁場，從而使光線發生偏折。
　　在《科學》論文中，研究人員則采用了另一種方法。這種超材料由嵌在多孔氧化鋁內的銀納米導線組成，可以使波長不超過660納米的紅光（屬于可見光）到紅外線波段出現負折射現象。
　　這也是科學家首次在可見光波段實現“負折射”。
　　張翔對媒體表示：“我們用兩種完全不同的方法，制造出了在比較廣的波長光譜范圍出現負折射的大塊超材料，而且能量損失較小，朝著超材料的實際應用邁進了一步。”
“隱身衣”究竟還有多遠？
　　那么，我們什么時候才可以穿上“隱身衣”呢？

工作原理
　　要真正實現“隱身”，理論上需要對所有可見光波段實現負折射，而科學家目前還無法做到這一點。
　　張翔研究組成員、《科學》論文主要作者之一姚杰告訴《財經》記者，盡管這兩種技術獲得了成功，但要真正實現對可見光的隱形，還存在一些技術困難。他所參與的多空氧化鋁中嵌入銀納米線的超材料，除了紅光之外，對于其他波段的光如藍光，則無法起作用，“不同的光的偏折條件是不同的，這也是我們下一步研究工作要面對的一個重要難題。”
　　當然，光，或者說電磁波的波段極為寬廣，即使在所有可見光波段實現隱形，在人眼面前“消失”，如果在其他波段不能實現隱形，仍然可以通過其他手段探測到。
　　在所需要的波段實現隱形，只是科學家需要面對的諸多難題之一。
　　例如，姚杰表示，就目前的技術而言，“還沒有辦法做出面積更大的可見光超材料”。這就是說，目前還無法規模生產超材料，而且也無法隨心所欲地制造成所需要的形狀。伯克利研究人員目前能夠制造出來的“大塊超材料”，最多也就是幾個平方毫米大小。
　　此外，這種超材料由金屬制成，非常容易破碎。
　　因此，“隱身衣”究竟何時能夠成為現實，還很難預料。
　　實際上，推出“隱身衣”并不是科學家研究超材料的主要目的。在納米成像、半導體工業等領域，超材料更可能發揮更為直接的作用。例如，利用超材料有望制造出更小更精密的半導體元器件，同時降低制作成本。
　　對于超材料研究最感興趣的，或許是軍方。和日常生活相比，軍方對隱形技術的需求更為迫切。
　　據了解，伯克利科學家的研究就不僅獲得美國國家科學基金會的資助，還拿到了美國軍方的課題經費。