隱身，歷來是各類電影中經久不息的題材，提到超能力，定然繞不開隱身的這面旗幟。那么這項來無影去無蹤的神奇能力，能否從熒幕中的科幻變成現實中的科學呢？今天我們或許可以給出一個肯定的答案。而這種科學的實現需要依賴一種獨特的光學材料技術——負折射率材料、

折射率這個物理定義我們都不陌生，從光的折射現象說起，折射率正是光在不同介質中穿行時發生偏折的根本法則。我們在日常生活中最常見的例子莫過于，放在水中的鉛筆看起來被折彎了，或是水池底部似乎抬高了，或者是試卷上問你漁民叉魚時應該朝上一點還是朝下......光從一種介質進入另一種密度不同的介質時，會改變傳播方向，而折射率就是用來描述這種改變程度的一個量。

自然界中的大部分介質，無論是空氣、水，還是玻璃都具有正折射率。正折射率的材料遵循一定的折射規律：當光線從空氣斜射進入水中時，方向會朝密度更大的水中偏折。折射率越大，光線偏折的角度也越大。那么負折射率材料，顧名思義，其折射率為負數，根據折射定律計算可知，光線不僅發生偏折，而且偏折的方向反向，使得折射光和入射光落在法線的同一側。正是這種反常的特性，讓負折射率材料尤為獨特而值得研究。

圖 光線從正折射率介質入射到負折射率介質[ml1]

負折射率材料這一概念最早的萌芽可以追溯到上世紀60年代。1968年，蘇聯物理學家維克托·維塞洛戈（Viktor Veselago）提出了這個理論假設，根據他的研究，如果材料同時具備負電導率（ε< 0）和負磁導率（μ< 0），就能實現負折射率。但由于當時自然界中并未發現具備這種特性的材料，這一設想只能停留在紙面上，長達數十年未能得到證實。

直到上世紀90年代末，英國物理學家約翰·彭德里（John Pendry）帶領的團隊在這一領域取得了突破。他們構建了一種獨特的金屬結構——金屬線陣列和開口環共振器陣列，通過對材料微觀結構的精密設計，第一次讓材料在特定條件下展現出負折射率特性。也就是說，只要對材料的微觀幾何結構進行足夠細致的設計，便可以控制電磁波的傳播路徑。隨著研究的深入，2000年，美國物理學家戴維·史密斯（David R. Smith）團隊將彭德里的理論付諸實驗，通過銅基復合結構制造出了世界上第一塊負折射率材料。2001年，史密斯團隊進一步展示了負折射的實際效果——他們設計了一塊負折射棱鏡，通過實驗第一次成功觀察到光線在負折射率材料中反向偏折的現象。這一發現揭開了負折射率材料研究的熱潮，使得各國的實驗室爭相投入，負折射率材料的研究成果開始呈現井噴之勢。

圖****世界上第一種人工負折射率材料

那么所謂隱形斗篷，便是通過利用負折射率材料將特定頻率的電磁波引導繞過物體，使被遮蔽的物體在特定頻率下隱身。

圖****隱身原理示意 圖源Trevor K on February 6, 2013

在負折射率材料的奇異特性中，幾個核心現象最值得我們來一同了解，也是被科學家們反復研究和驗證的課題。這些現象展示了負折射率材料在光波傳播以及能量傳遞等方面的獨特物理特性。

**1.**反常多普勒效應：

多普勒效應是我們在日常生活中也能體驗到的現象，鳴笛聲在汽車接近時音調變高，而遠離時音調變低。注意我們說的是音調，而不是音量。這是因為當波源和觀察者發生相對運動時，觀察者接收到的波頻率會隨著距離的拉近或拉遠而變化。而在負折射率材料中，多普勒效應的表現便是完全相反的。由于負折射率材料中群速（能量傳播方向）和相速（波的傳播方向）相反，當波源和觀察者相背而行時，觀察者接收到的頻率反而會升高，這便是反常多普勒效應。

圖 (a) **正常材料中，反射波頻率會降低；(b)**負折射率材料中，反射波頻率會升高

然而，直接實驗驗證反常多普勒效應十分困難，因為負折射率材料的設計和實驗構造要求極高。負折射率材料是人工合成的復雜結構，實驗中需要將波源和接收器同時置于負折射率材料內部，以使二者在材料內部產生相對運動，這一點在現有技術條件下難以實現。因此目前大部分研究者都采用了理論研究和數值模擬相結合的方法。

**2.**反常切倫科夫輻射：

切倫科夫輻射在核反應堆中是一種常見的光學現象。當帶電粒子在介質中勻速運動且速度超過該介質中的光速時，粒子會激發出次級光波，這些光波相互疊加，形成一個錐形的輻射波前。一般這種能量會向后[ml2] 輻射（注意這里的“后”指的是時間上的），而在負折射率材料中，能量的傳播方向與相速方向相反，導致輻射錐體的方向被翻轉，發生了反向輻射。這也就代表著它為控制電磁波和能量傳播提供了一種方案。

圖 **(a)**右手材料中； **(b)**左手材料中

**3.反常古斯-**漢欣位移：

我們先要知道，當光從一種介質進入另一種介質時，若發生全反射，反射光束的實際位置會發生一個微小的橫向位移，取決于入射光束的方向和兩種介質的折射率差異，這一現象被稱為古斯-漢欣位移。一般來說，從一種右手材料（正折射率材料）進入另一種右手材料時，反射光束的橫向位移通常為正，朝向右側。

但在負折射率材料中，情況則發生了變化。當光從一種右手材料進入負折射率材料并發生全反射時，由于負折射率材料中能量的流動方向和波矢的傳播方向相反，導致反射光的橫向位移反而朝向左側。

**圖****古斯漢欣位移 (a)****從右手介質入射到右手介質；(b)**從右手介質入射到左手介質

知道了負折射率材料的神異之處，而如何制造出它是一個更重要的課題。在20世紀末，物理學家約翰·彭德里（John Pendry）與其團隊首次提出了一種微觀結構設計，將材料安排成一系列周期性的金屬導線和環形共振結構，使其能夠模擬自然界中的等離子體效應。這些精密排列的金屬線構成了一種類似振蕩回路的系統：電場作用在金屬線陣列中產生感應電流，正負電荷在導線兩端移動。在特定條件下，這種結構表現出了負的介電常數。

科學家們還在同樣微觀的尺度上設計出一種環形共振器結構，能夠形成負的磁導率，模擬出一種可以讓光波的方向偏轉至入射光同一側的反常電磁環境。這種設計被稱為等離子體激元類材料。

圖****首次光頻段負折射實驗采用的超材料結構

還有一種更為復雜的方案是光子晶體。光子晶體最早在1987年提出，它通過周期性排列的電介質材料控制光的傳播路徑。光子晶體內的結構類似固體晶體中的電子排列，這種特性讓它能像過濾器一樣分出光的傳播頻率，形成了光子禁帶和允許頻帶，即某些頻率的光波被阻擋，而其他頻率可以通過。利用這一特性，當光在光子晶體中傳播時，其相速度和群速度會在某些頻率下相反，也就形成了類似負折射的效果。與傳統的負折射材料不同，光子晶體僅通過普通電介質構成，不需要金屬共振，所以能量損耗也就更低。2003年，研究人員利用白寶石結構的二維光子晶體首次在實驗中觀察到了負折射現象，并用其實現了平板透鏡成像。

圖****光子晶體與禁帶示意圖

從理論的萌芽到現實中的實驗突破，許多看似天方夜譚的特性逐一實現。無論是光子晶體、等離子體激元，還是人工磁性材料，隨著微納米加工技術的不斷進步，這些負折射材料的潛力將進一步被釋放。那么我們有理由期待，未來的隱形斗篷、超分辨率顯微鏡、甚至光學計算器，都可能因負折射材料的廣泛應用而成真。

參考論文

[1]耿滔.負折射率材料的基礎研究[D].上海理工大學,2010.

[1]宋佳.負折射率介質表面菲涅耳反射的研究[D].遼寧師范大學,2018.

作者丨蔡文垂 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 研究生

審核丨李明 中國科學院高能物理研究所 研究員

來源: 科普中國新媒體

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