[科普中国]-今年过节不收礼，收礼就收…“隐身衣”

出品：科普中国制作：中科院物理所科学传播协会监制：中国科学院计算机网络信息中心“Harry, wake up! Come on,Harry, wake up!”急促的呼喊唤醒了还在熟睡的哈利波特，他抓起自己的眼镜，急匆匆地跑下阁楼，等待他的是一份圣诞礼物——电影《哈利波特与魔法石》“是件隐身斗篷！”正在吃爆米花的罗恩惊掉了下巴，“我的身体不见了！”哈利感到不可思议……每次看到这一幕，总会幻想什么时候我也能有一份这样的礼物啊，直到一天,一条新闻让我眼前一亮：央视网，http://tv.cntv.cn/这是2013年浙江大学陈红胜教授团队与新加坡南洋理工大学等国际团队合作的研究成果，它们利用一套组合而成的六边形玻璃棱柱，实现了对中间通孔内物体的隐身。Chen, H., et al. (2013)."Ray-optics cloaking devices for large objects in incoherentnatural light." Nat Commun 4: 2652.实现隐身的思路概括起来其实也不复杂，水中的鱼进入通孔前之所以不能隐身，那是因为当四面八方传播而来的光线到达金鱼身上时，或被反射、散射或被遮挡，我们通过这些被反射、散射或被遮挡的光线可以感知到鱼儿的存在，但如果我们能够使光线绕过小金鱼传播，尽量减少小金鱼对外界光线影响，就可以实现对小金鱼的隐身。Chen, H., et al. (2013)."Ray-optics cloaking devices for large objects in incoherentnatural light." Nat Commun 4: 2652.科研人员也正是利用这套思路，设计了上图由玻璃（折射率为1.78，图中白色区域）以及空气（折射率为1，图中深蓝色区域）组合而成的柱状“隐身斗篷”，它只适用于在水（折射率为1.33，图中淡蓝色区域，有外部区域和内部通孔两部分）中物体的隐身。通过设计合适的玻璃以及空气部分的尺寸就可以达到隐身的目的。这样奇妙的设计思路，由2006年发表在《Science》上的一篇文章：Controlling ElectromagneticFields率先提出，通讯作者是来自英国帝国理工的J. B.Pendry，那么是什么契机让他们提出这样一套设计思路呢？文章里给出了答案——Metamaterials，超材料。额…什么是超材料？它的英文单词Metamaterial，其中拉丁语词根“meta-”有“超出、另类”的含义，这就意味着这种材料有着自然界中传统材料所不具备的性质，就该领域的发展现状来说，这些性质可以是力学、热学、光学、电磁学等等，拥有哪种性质就能以该性质命名，比如“电磁超材料”、“声学超材料”、“力学超材料”……其中，“电磁超材料”是超材料的鼻祖，也依旧是当下科研人员研究的重点。我们就拿电磁超材料举例，它们大都是由一系列的电磁谐振单元结构按照周期或者一定的规律排布而成，这些单元往往是由自然界中常见的材料制作而成，比如金属或者是电介质。在经典电动力学里，我们用介电常数ε和磁导率u来描述材料宏观电磁性质，而在超材料概念里，当单元的尺度远小于入射波长时，我们同样可以用有效介电常数εeff和有效磁导率ueff来描述超材料的宏观电磁性质。单元结构是超材料的灵魂，通过对它们进行构型上的设计，我们将得到谐振单元本征材料所不具有的介电常数和磁导率，从而实现奇异的电磁现象，比如负折射率材料：1967年，VictorVeselago首次在理论上提出了介电常数和磁导率同时为负的“负折射率材料”，Negative-indexmaterials。1999年，之前提到的Pendry证明了金属导线和开口谐振环结构（C形）可以分别实现负的介电常数和磁导率。J. B. Pendry, et al. (1999)" Magnetism from Conductors and Enhanced Nonlinear Phenomena." IEEETRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, 47(11),2075-2084直到 2000 年 D. R.Smith等人利用这两种结构组成的阵列在微波波段同时实现了负的等效介电常数和磁导率，并在2003年给予了实验验证。R. A. Shelby, D. R. Smith,S. Schultz, (2003) “Experimental verification of a negativeindex of refraction”,Science 292, 77由于介电常数和磁导率同时为负时，电场 E、磁场 H和波矢 k的关系不再符合右手螺旋定则，而是满足左手定则，因此这种材料又被称作左手材料。同理，通过调节等效介电常数和磁导率不但可以获得负的折射率，还可以控制电磁波的传播方向和路径，使得光线绕过障碍物继续传播，这就是所谓的隐身材料。2006年 D. Schurig等人利用环形排列的铜制开口谐振环结构，设计相应的εeff和ueff来重塑光线的轨迹，成功将放置在中心的铜环实现了微波波段的隐身。D. Schurig, et al. (2006),“Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies”,SCIENCE, 314, 997https://frontview.wordpress.com/2013/02/06/invisible-metamaterial/我们知道，可见光和微波都是电磁波，但可见光的波长却远远小于微波，如果想制备工作在可见范围内的超材料隐身斗篷，我们面临的不仅仅是缩小谐振单元尺寸的问题，因为在极高的共振频率下，谐振单元的共振会出现饱和，同时还会有巨大的电磁损耗。因此前文提到能让小金鱼在可见光范围内隐身的六边棱柱就没有运用超材料——使用的依然是传统材料，但这种对电磁波传播控制的思路与超材料却是一脉相承的。并不是说所有的超材料就一定优于传统材料，只是超材料的出现为我们对电磁波的控制提供了更多的可能。而且在超材料的发展过程中也孕育出很多的理论和思想，这些思想碰撞出来的火花，才是我们科学前进的动力源泉。可能就现在的科技而言，我们还无法制备出像小说、电影里描述的那种隐身斗篷，但…梦想还是要有的，或许某年正月初一，当我们从鞭炮声中一觉醒来，真的会有一件“隐身斗篷”等待着我们，到时候“请妥善使用”呀！电影《哈利波特与魔法石》参考资料：1.J. B. Pendry, et al.(2006) "Controlling Electromagnetic Fields." Science, 312 (5781),1780-17822.Wikipedia，Metamaterial，https://en.wikipedia.org/wiki/Metamaterial3.夏晓翔.太拉赫兹及近红外人工超材料的制备与电磁特性研究(博士论文). 中科院物理所.4.D. R. Smith, et al.(2000) “Composite medium with simultaneously negative permeabilityand permittivity”, Phys. Rew.Lett., 84, 4184