讓電磁波轉(zhuǎn)彎——關(guān)于隱身斗篷的消息

     
加州大學(xué)的隱身斗篷
隱身斗篷（invisibility cloak）能改變光的波長(zhǎng)，讓光像流水一樣環(huán)繞著流過(guò)斗篷而不產(chǎn)生反射折射。目前這個(gè)斗篷基本上能在微波下“隱身”了。據(jù)說(shuō)隨著今后科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，這東西就能完全的讓我們“視而不見(jiàn)”。
加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家已經(jīng)在隱形衣研究方面取得重大進(jìn)步，哈里·波特的隱身工具可能很快就會(huì)變成現(xiàn)實(shí)。他們已經(jīng)設(shè)計(jì)出兩種新材料，一種利用網(wǎng)狀金屬層，另一種利用很細(xì)的銀絲，這兩種材料既不吸收陽(yáng)光，也不反射陽(yáng)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(dǎo)致水中的麥稈看起來(lái)變彎了。
浙江大學(xué)畢業(yè)生劉若鵬和美國(guó)科學(xué)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(yùn)作秘訣就在于它能令微波的路徑變彎。它的設(shè)計(jì)如果完美，那么穿著的人或它覆蓋的建筑物和工業(yè)用地都會(huì)隱身,造成上視覺(jué)上的看不見(jiàn)。
人之所以能看見(jiàn)物體，因其阻擋了光波通過(guò)，中科院物理所一名光學(xué)研究人員對(duì)記者表示，理論上來(lái)說(shuō)，要是能讓光“轉(zhuǎn)彎”，研制出“隱身衣”是完全有可能的。
浙江大學(xué)博士生陳紅勝，曾在美國(guó)物理學(xué)頂級(jí)學(xué)術(shù)刊物《物理評(píng)論快報(bào)》發(fā)表論文，首次解隱身衣的物理機(jī)制。“應(yīng)該是讓電磁波‘轉(zhuǎn)彎’，繞著物體走，繞過(guò)障礙物，這樣物體就能‘隱身’。”陳紅勝表示。隱身衣的研究在國(guó)外非常熱，由于該技術(shù)有很好的保密效果，被認(rèn)為可廣泛應(yīng)用在軍事上，如用在飛機(jī)和潛艇上，雷達(dá)就很難探測(cè)到它們的存在。

      來(lái)自美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的研究人員，由華裔教授張翔領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，成功研制出新型的三維材料，能夠使光線通過(guò)時(shí)發(fā)生彎曲，從而神秘“消失”。打個(gè)比方，當(dāng)流水經(jīng)過(guò)一塊石頭時(shí)，水流會(huì)繞過(guò)石頭，然后繼續(xù)向前，就像沒(méi)有遇到石頭一樣。
超材料的問(wèn)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(fù)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(guò)程可以用這樣一個(gè)經(jīng)典圖示來(lái)說(shuō)明：筷子插入水中的部分看起來(lái)似乎向水面方向彎曲。假如水顯示出負(fù)折射的特性，筷子被水淹沒(méi)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(yú)，我們也可以看到類(lèi)似的效果。
負(fù)折射示意圖
    既然天然材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)“負(fù)折射”，科學(xué)家們想到人工研制出一類(lèi)超材料（metamaterials）。通過(guò)對(duì)材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行人為設(shè)計(jì)，來(lái)獲得超出自然界固有的普通性質(zhì)的超常材料功能。
    超材料的理論和實(shí)驗(yàn)發(fā)展，直接催生了“隱身衣”研究。2006年初，倫敦帝國(guó)理工大學(xué)的潘德瑞教授（John Pendry）提出“隱身衣”的可行性構(gòu)想，超材料能夠讓光線繞過(guò)物體，從而使物體隱形。當(dāng)年年底，潘德瑞和美國(guó)杜克大學(xué)的舒里希（David Schurig）、史密斯（David Smith）等科學(xué)家，共同展示了一種超材料。
　　這兩年，超材料逐漸成為國(guó)際上的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
　　不過(guò)，科學(xué)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(fù)折射”特性只出現(xiàn)在微波范圍。對(duì)于波長(zhǎng)更短的光，比如人眼適應(yīng)的可見(jiàn)光，還無(wú)能為力。也就是說(shuō)，這些超材料還無(wú)法制造成在那種人眼前消失的“隱身衣”。
可見(jiàn)光的消失
　　張翔領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，則將超材料和“隱身衣”的研究往前推進(jìn)了一步。
　　這個(gè)研究小組，分別在8月13日出版的《自然》雜志網(wǎng)絡(luò)版和8月15日的《科學(xué)》雜志發(fā)表論文，報(bào)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(wǎng)”形的超材料。他們將導(dǎo)電的銀和不導(dǎo)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(fā)絲的直徑大致相當(dāng)于10萬(wàn)個(gè)納米）尺寸的漁網(wǎng)圖樣。
可見(jiàn)光的消失
　　張翔領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，則將超材料和“隱身衣”的研究往前推進(jìn)了一步。
　　這個(gè)研究小組，分別在8月13日出版的《自然》雜志網(wǎng)絡(luò)版和8月15日的《科學(xué)》雜志發(fā)表論文，報(bào)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(wǎng)”形的超材料。他們將導(dǎo)電的銀和不導(dǎo)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(fā)絲的直徑大致相當(dāng)于10萬(wàn)個(gè)納米）尺寸的漁網(wǎng)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(jié)構(gòu)示意圖，右為掃描電子顯微鏡下的圖片。
　　這樣，在波長(zhǎng)最大不超過(guò)1500納米，即近紅外線的范圍內(nèi)，出現(xiàn)了負(fù)折射。研究人員解釋說(shuō)，每對(duì)相鄰導(dǎo)電層之間都會(huì)形成一個(gè)電流環(huán)路，交替堆疊則產(chǎn)生一系列環(huán)路，這些環(huán)路被用來(lái)響應(yīng)入射光線產(chǎn)生的磁場(chǎng)，從而使光線發(fā)生偏折。
　　在《科學(xué)》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(nèi)的銀納米導(dǎo)線組成，可以使波長(zhǎng)不超過(guò)660納米的紅光（屬于可見(jiàn)光）到紅外線波段出現(xiàn)負(fù)折射現(xiàn)象。
　　這也是科學(xué)家首次在可見(jiàn)光波段實(shí)現(xiàn)“負(fù)折射”。
　　張翔對(duì)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(zhǎng)光譜范圍出現(xiàn)負(fù)折射的大塊超材料，而且能量損失較小，朝著超材料的實(shí)際應(yīng)用邁進(jìn)了一步。”
“隱身衣”究竟還有多遠(yuǎn)？
　　那么，我們什么時(shí)候才可以穿上“隱身衣”呢？

工作原理
　　要真正實(shí)現(xiàn)“隱身”，理論上需要對(duì)所有可見(jiàn)光波段實(shí)現(xiàn)負(fù)折射，而科學(xué)家目前還無(wú)法做到這一點(diǎn)。
　　張翔研究組成員、《科學(xué)》論文主要作者之一姚杰告訴《財(cái)經(jīng)》記者，盡管這兩種技術(shù)獲得了成功，但要真正實(shí)現(xiàn)對(duì)可見(jiàn)光的隱形，還存在一些技術(shù)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(duì)于其他波段的光如藍(lán)光，則無(wú)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(duì)的一個(gè)重要難題。”
　　當(dāng)然，光，或者說(shuō)電磁波的波段極為寬廣，即使在所有可見(jiàn)光波段實(shí)現(xiàn)隱形，在人眼面前“消失”，如果在其他波段不能實(shí)現(xiàn)隱形，仍然可以通過(guò)其他手段探測(cè)到。
　　在所需要的波段實(shí)現(xiàn)隱形，只是科學(xué)家需要面對(duì)的諸多難題之一。
　　例如，姚杰表示，就目前的技術(shù)而言，“還沒(méi)有辦法做出面積更大的可見(jiàn)光超材料”。這就是說(shuō)，目前還無(wú)法規(guī)模生產(chǎn)超材料，而且也無(wú)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(lái)的“大塊超材料”，最多也就是幾個(gè)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(shí)能夠成為現(xiàn)實(shí)，還很難預(yù)料。
　　實(shí)際上，推出“隱身衣”并不是科學(xué)家研究超材料的主要目的。在納米成像、半導(dǎo)體工業(yè)等領(lǐng)域，超材料更可能發(fā)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(dǎo)體元器件，同時(shí)降低制作成本。
　　對(duì)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(duì)隱形技術(shù)的需求更為迫切。
　　據(jù)了解，伯克利科學(xué)家的研究就不僅獲得美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的資助，還拿到了美國(guó)軍方的課題經(jīng)費(fèi)。