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“隐形斗篷”“地毯斗篷”:挑战光学定律的超构材料

撰文 | Philip Ball

翻译 | 余其身

校译 | 蒋海宇

超构材料告诉我们,自然定律并不总像看上去那样固定不变。作为光学定律之一,折射定律表明:当光线从一种透明介质射向另一种透明介质时(比如从空气射向水或者玻璃),它会在两种介质的交界面发生偏折,而偏折的程度取决于这两种介质的折射率。真空(或者粗略地讲,空气)的折射率被设定为1,而其他所有透明材料的折射率都大于1。然而,一定如此吗?20世纪60年代,俄罗斯物理学家维克托·韦谢拉戈(Victor Veselago, 1929.6.13-)在理论上提出,当材料具有某些特殊性质时,它的折射率可以小于1,甚至是负值,并因此以“错误的方式”使光线偏折。

韦谢拉戈的理念被人遗忘,直到20世纪90年代才被电气工程师戴维·史密斯(David Smith)重新发现。他很想知道能不能从“人工原子”出发,制造出后来被称作“超构材料”的韦谢拉戈所预言材料的放大版,使其在比可见光更长的波长,即微波波段,也具有这种奇特性质。碰巧,伦敦帝国理工学院的物理学家约翰·彭德鲁(Sir John Pendry, 1943.7.4-)提出了采用线圈制造类似结构的方法。史密斯和同事在1999年发明了一种负折射率材料——正是在发表这项工作时,他们才重新发现了韦谢拉戈发表于1967年的那篇极具先见的论文。史密斯后来去了位于北卡罗来纳州的杜克大学,并与彭德鲁合作建立了名为“变换光学”的一般性理论,来描述这种材料如何以新奇而意外的方式操纵光的路径。2006年,他们设计并制作了一种更加新奇的超构材料器件。它可以偏折光线(更准确地说,偏折微波),使其绕过物体,从而使该物体隐形。

这一引人注目的创新成果使超构材料领域的研究正式启航。《国家科学评论》(NSR)对约翰·彭德鲁的此次专访正是聚焦于这一物理、材料和工程的交叉学科,探讨超构材料的历史与未来。

超构材料的提出

NSR:什么是超构材料?这个概念是怎么出现的?超构材料(metamaterials)这个名词又是怎么来的?

Pendry:超构材料的性质源于其内部的微观结构,而非其化学组成。这种微观结构必须比所用的电磁波长更精细,使得超构材料能够被有效电容率ε(对建立内部电场的阻抗)和有效磁导率 μ (支持内部磁场的能力)所描述(这两个量描述材料对电磁辐射的响应)。这个理念源自我在马可尼公司时进行的一项关于雷达波吸收材料的工作。该材料由重叠的极细碳纤维组成。我们很快认识到纤维结构是理解这种材料宽带吸收(broadband-absorbing)性质的关键。这让我们意识到其他结构也可能产生有价值的新材料。碳纤维的工作直接衍生出了能够产生人工等离子体的细线结构,它在微波频段的ε为负值。之后我们转而研究磁性,以及具有全新磁性质和负μ 值的“分环共振器”。这些结构是负折射率超构材料的构成要素。加州大学圣地亚哥分校(UCSD)的戴维·史密斯及其同事将这两个负值组合在一起,重新发现了韦谢拉戈曾经预见的负折射。后来,也是戴维·史密斯的团队,在杜克大学以超构材料为构成元件制成了隐身斗篷。超构材料一词的前缀“超(meta)”是希腊语中的“超越”,意思是这些材料的性质是超越自然的。

NSR:您特别关注光学超构材料。这种材料能以非常的方式操纵光,而该方式有时与我们对光学定律的通常理解相悖。是什么激发了您对这一领域的关注?

Pendry:纯属好运。UCSD团队重新发现了维克托·韦谢拉戈关于负折射的论文,并将其实现,使微波以负角折射。维克托的另一个想法是,可以利用负折射使光线以不同寻常的方式聚焦。好奇心驱使我计算了该设备的解像力。计算结果让我和大家都大吃一惊:对于负折射率的一些特定值,这种聚焦是完美的,不受阿贝极限的影响(阿贝极限指出,显微镜不能解析比照明光波长的一半更小的目标)。我们于是做了一系列实验,主要用等离子系统(该系统涉及表面电子的激发,亦即等离子激元)。该系统中,光可以被聚焦于亚纳米尺度的区域。

NSR:您什么时候意识到光学超构材料在实验上也可能实现,而不仅仅是一种理论上的可能性?如何与杜克的团队开始合作的?

Pendry:事实上,20世纪90年代末,我仍在马可尼团队工作时,就建立并测量了一套分环共振器系统,以及超构材料的许多其他设计。遗憾的是,马可尼公司在互联网冲击中没落,使这项工作终止。然而,戴维·史密斯出现了,他那时正和加州大学的谢尔登·舒尔茨(Sheldon Schultz)在UCSD合作。当时我在加州拉古纳海滩的第一次光子学和电磁学晶体结构(PECS)会议上演讲。他立即表示愿意进行相关实验,负折射的首次实现就由此诞生。戴维团队从此成为该领域中的领头羊,并和我们有过许多富有成果的合作。

“隐身斗篷”

NSR:谁提出了“隐身斗篷”这个想法?更具体地,谁决定将光学超构材料放在“隐身”这个框架下进行研究?

Pendry:还是机缘巧合。2005年4月,美国国防高级研究计划处(DARPA)的一名官员瓦莱利·布朗宁(Valerie Browning)在圣安东尼奥组织了一个关于超构材料的会议。他请我“把事情推一推”,去会上演讲。当时我正在研究变换光学理论,这是我建立的一个在电磁领域里非常有用的设计工具。当时我觉得,在演讲的时候秀一下怎样使东西隐身于电磁辐射会是一个很有趣的玩笑。我妻子建议我参考一个叫哈利·波特的人。我从没听说过这个人,但他显然跟斗篷有关。结果这个玩笑被当真了。自那之后,隐身斗篷就成了超构材料领域的一个主题。这一次,还是戴维的团队扮演了关键角色。尽管戴维本人因流感未能赴会,但他听说了我的演讲,并表示愿意制作斗篷。即使我们的理论基础很坚实,这个实验却很有挑战性,几个月后才终于完工。最终,在理论文章(Pendry JB, Schurig D and Smith DR. Science 2006; 312: 1780-2)发表后不久,实验文章(Schurig D, Mock JJ and Justice BJ et al. Science 2006; 314: 977-80)随之发表。

NSR:普通大众对于隐身的概念很有共鸣。在过去或者现在,您是否担心它可能引起不现实的期待?最初的理论和实验论文发表时,反响如何?

Pendry:第一篇论文得到了媒体的热烈响应。虽然这个项目建立在非常技术性的基础之上,但依然带来了能和普通大众相联系的东西。对科学传播者来说,这篇论文就像是天上掉下的馅饼。在那篇论文发表的第一天,我上了BBC早八点的一档主要新闻节目,并花了一整天来应答记者的电话,最后到晚上十点才放下话筒。对于一个毕生躲避大众媒体的科学家而言,那是一次身心疲惫的体验。而大众确实对此产生了不切实际的期待。首先,这个所谓的斗篷必须有一个有限的厚度,肯定没法穿在身上。我认为我们还在探索哪些可以实现、哪些不能实现。我们也应该向公众澄清,虽然我在圣安东尼奥的演讲中使用了玩笑式的表达,但我们是非常严肃的科学工作者,而不是喜剧演员。

光学超构材料的应用

NSR:您认为光学超构材料能被现实应用在什么地方?

Pendry:光学中,在纳米尺度上控制光的传播很有挑战。通过超构材料结构,我们能把光传导到纳米维度的目的地,达到纳米尺度的控制。其最简单的应用,可以将光集中在一个分子上,使光谱分析达到单分子水平的灵敏度。更为复杂的应用,将采用集中的能量以加强光子间的相互作用,让一个光源耗费相对小的输入功率就能控制另一个光源。现在,可转换超构材料也开始得到应用,它能以令人难以置信的高速率扫描一束光的横截面,来调查一个场景。这在太赫兹频率已经实现。

NSR:把这些来自微波的概念扩展到可见光波长容易吗?挑战是什么?

Pendry:挑战主要是实验上的。超构材料的亚波长尺寸需求,意味着工程必须是纳米尺度的,昂贵而且耗时。但在超表面(结构化的二维物体)领域,我们已经有成熟的技术来制作新型透镜和全息器件。三维纳米工程更困难,但在该领域,(基于化学的)自组装及相关技术也提供了发展的道路。

“地毯斗篷”

NSR:您后来意识到,如果做出折衷,采用变换光学的基本理念,操纵可见光完全是可能的,比如采用“地毯斗篷”。能解释一下这个概念,以及它产生的过程吗?

Pendry:当时我与博士后李赞恒(Jensen Li,现为伯明翰大学高级讲师)一起工作。我们发现斗篷可以被视做一个透镜,通过透镜目标会显得很小,几乎是看不见了。事实上,目标可以被处理成一个小点,一条线,或者平摊成无限薄的一层。其中,点最难实现,薄面最容易,至少就材料参数来说。问题是处理成的薄面效果和镜子差不多,要有能把镜子藏起来的办法,目标才能被隐藏。我们把斗篷放在另一个镜面,亦即所谓的“地毯”上,做到了这一点。很多材料在可见光谱区域的响应会大大减弱,最初的斗篷设计也被证明无法在可见光下实现。我们指出地毯斗篷是可以在可见光下实现的,而两个独立团队完成了相关实验。

NSR:看起来,变换光学的可能性有时只是被想象力所限制。现在有些关于“幻像光学(illusion optics)”和“时空斗篷”的讨论(前者通过操纵光散射,使目标看起和另一目标一样,后者使事件在时空中隐匿)。以您所见,在理论和实践中,最具创意的理念有哪些?

Pendry:超构材料在电磁学中已经有了激动人心的应用。我们还可以期待等离子领域的进展,因为结构对于等离子激元光频的测定非常关键。

NSR:许多人建议把相同的理念扩展到其他波动现象:声波和声呐,弹性形变,甚至地震工程学,比如让建筑物甚至整个城市在地震中“隐身”。您怎么看待变换光学的前景?

Pendry:声学一直是一个成果颇丰的领域。由于不变性等问题的存在,在固体声学中推广变换光学还有困难;但在液体声学中,变换光学是有机会的。电磁学中,对于更精密的设计,损耗(散射波的减弱)通常是个问题;但在声学中,有许多极低损耗的材料可供实用。

NSR: 中国研究人员在该领域建树颇丰。您认为原因何在?在您看来,中国在这一领域中领军的研究中心或者团队是哪些?

Pendry:是的,中国很早就进入了超构材料和变换光学领域,并拥有大量研究团队。具体来说,香港科技大学、东南大学、浙江大学、复旦大学、南京大学和其他一些机构的研究者都有不错的表现。

NSR:超构材料和变换光学的经验表明,我们的智慧可能“颠覆”基本原理(比如光学定律)。对于这一点,您怎么看?当今科学研究中,对于这种创新,甚至高风险的思考,还存在足够的空间吗?我们如何在纯理论思辨和现实目标中找到平衡?

Pendry:我相信我们在假想与实际应用之间有着很好的平衡。要使假想不被当作白日梦而忽视掉,目标是否实际便非常重要。变换光学/超构材料领域的一个长处就是:一些比较离奇的想法,也曾在实验中变成现实,而且其中一些已经成为了商品。

注:本文经祝世宁、张翔审定,特此感谢。

英文原文2018年3月发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR),原标题为“Bending the laws of optics with metamaterials: an interview with John Pendry ”。NSR是科学出版社旗下期刊,与牛津大学出版社联合出版。《知识分子》获NSR和牛津大学出版社授权刊发该文中文翻译。本文小标题为编者所加。

英文版链接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwx118

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