科普中國公眾號
科普中國微博
幫助
出品：科普中國制作：中科院物理所科學傳播協會監制：中國科學院計算機網絡信息中心“Harry, wake up! Come on,Harry, wake up!”急促的呼喊喚醒了還在熟睡的哈利波特，他抓起自己的眼鏡，急匆匆地跑下閣樓，等待他的是一份圣誕禮物——
電影《哈利波特與魔法石》“是件隱身斗篷！”正在吃爆米花的羅恩驚掉了下巴，“我的身體不見了！”哈利感到不可思議……每次看到這一幕，總會幻想什么時候我也能有一份這樣的禮物啊，直到一天,一條新聞讓我眼前一亮：
央視網，http://tv.cntv.cn/這是2013年浙江大學陳紅勝教授團隊與新加坡南洋理工大學等國際團隊合作的研究成果，它們利用一套組合而成的六邊形玻璃棱柱，實現了對中間通孔內物體的隱身。
Chen, H., et al. (2013)."Ray-optics cloaking devices for large objects in incoherentnatural light." Nat Commun 4: 2652.實現隱身的思路概括起來其實也不復雜，水中的魚進入通孔前之所以不能隱身，那是因為當四面八方傳播而來的光線到達金魚身上時，或被反射、散射或被遮擋，我們通過這些被反射、散射或被遮擋的光線可以感知到魚兒的存在，但如果我們能夠使光線繞過小金魚傳播，盡量減少小金魚對外界光線影響，就可以實現對小金魚的隱身。
Chen, H., et al. (2013)."Ray-optics cloaking devices for large objects in incoherentnatural light." Nat Commun 4: 2652.科研人員也正是利用這套思路，設計了上圖由玻璃（折射率為1.78，圖中白色區域）以及空氣（折射率為1，圖中深藍色區域）組合而成的柱狀“隱身斗篷”，它只適用于在水（折射率為1.33，圖中淡藍色區域，有外部區域和內部通孔兩部分）中物體的隱身。通過設計合適的玻璃以及空氣部分的尺寸就可以達到隱身的目的。這樣奇妙的設計思路，由2006年發表在《Science》上的一篇文章：Controlling ElectromagneticFields率先提出，通訊作者是來自英國帝國理工的J. B.Pendry，那么是什么契機讓他們提出這樣一套設計思路呢？文章里給出了答案——Metamaterials，超材料。
額…什么是超材料？它的英文單詞Metamaterial，其中拉丁語詞根“meta-”有“超出、另類”的含義，這就意味著這種材料有著自然界中傳統材料所不具備的性質，就該領域的發展現狀來說，這些性質可以是力學、熱學、光學、電磁學等等，擁有哪種性質就能以該性質命名，比如“電磁超材料”、“聲學超材料”、“力學超材料”……其中，“電磁超材料”是超材料的鼻祖，也依舊是當下科研人員研究的重點。我們就拿電磁超材料舉例，它們大都是由一系列的電磁諧振單元結構按照周期或者一定的規律排布而成，這些單元往往是由自然界中常見的材料制作而成，比如金屬或者是電介質。在經典電動力學里，我們用介電常數ε和磁導率u來描述材料宏觀電磁性質，而在超材料概念里，當單元的尺度遠小于入射波長時，我們同樣可以用有效介電常數εeff和有效磁導率ueff來描述超材料的宏觀電磁性質。單元結構是超材料的靈魂，通過對它們進行構型上的設計，我們將得到諧振單元本征材料所不具有的介電常數和磁導率，從而實現奇異的電磁現象，比如負折射率材料：1967年，VictorVeselago首次在理論上提出了介電常數和磁導率同時為負的“負折射率材料”，Negative-indexmaterials。1999年，之前提到的Pendry證明了金屬導線和開口諧振環結構（C形）可以分別實現負的介電常數和磁導率。
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等人利用這兩種結構組成的陣列在微波波段同時實現了負的等效介電常數和磁導率，并在2003年給予了實驗驗證。
R. A. Shelby, D. R. Smith,S. Schultz, (2003) “Experimental verification of a negativeindex of refraction”,Science 292, 77由于介電常數和磁導率同時為負時，電場 E、磁場 H和波矢 k的關系不再符合右手螺旋定則，而是滿足左手定則，因此這種材料又被稱作左手材料。同理，通過調節等效介電常數和磁導率不但可以獲得負的折射率，還可以控制電磁波的傳播方向和路徑，使得光線繞過障礙物繼續傳播，這就是所謂的隱身材料。2006年 D. Schurig等人利用環形排列的銅制開口諧振環結構，設計相應的εeff和ueff來重塑光線的軌跡，成功將放置在中心的銅環實現了微波波段的隱身。
D. Schurig, et al. (2006),“Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies”,SCIENCE, 314, 997
https://frontview.wordpress.com/2013/02/06/invisible-metamaterial/我們知道，可見光和微波都是電磁波，但可見光的波長卻遠遠小于微波，如果想制備工作在可見范圍內的超材料隱身斗篷，我們面臨的不僅僅是縮小諧振單元尺寸的問題，因為在極高的共振頻率下，諧振單元的共振會出現飽和，同時還會有巨大的電磁損耗。因此前文提到能讓小金魚在可見光范圍內隱身的六邊棱柱就沒有運用超材料——使用的依然是傳統材料，但這種對電磁波傳播控制的思路與超材料卻是一脈相承的。并不是說所有的超材料就一定優于傳統材料，只是超材料的出現為我們對電磁波的控制提供了更多的可能。而且在超材料的發展過程中也孕育出很多的理論和思想，這些思想碰撞出來的火花，才是我們科學前進的動力源泉。可能就現在的科技而言，我們還無法制備出像小說、電影里描述的那種隱身斗篷，但…夢想還是要有的，或許某年正月初一，當我們從鞭炮聲中一覺醒來，真的會有一件“隱身斗篷”等待著我們，到時候“請妥善使用”呀！
電影《哈利波特與魔法石》參考資料：1.J. B. Pendry, et al.(2006) "Controlling Electromagnetic Fields." Science, 312 (5781),1780-17822.Wikipedia，Metamaterial，https://en.wikipedia.org/wiki/Metamaterial3.夏曉翔.太拉赫茲及近紅外人工超材料的制備與電磁特性研究(博士論文). 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
電影《哈利波特與魔法石》“是件隱身斗篷！”正在吃爆米花的羅恩驚掉了下巴，“我的身體不見了！”哈利感到不可思議……每次看到這一幕，總會幻想什么時候我也能有一份這樣的禮物啊，直到一天,一條新聞讓我眼前一亮：央視網，http://tv.cntv.cn/這是2013年浙江大學陳紅勝教授團隊與新加坡南洋理工大學等國際團隊合作的研究成果，它們利用一套組合而成的六邊形玻璃棱柱，實現了對中間通孔內物體的隱身。Chen, H., et al. (2013)."Ray-optics cloaking devices for large objects in incoherentnatural light." Nat Commun 4: 2652.實現隱身的思路概括起來其實也不復雜，水中的魚進入通孔前之所以不能隱身，那是因為當四面八方傳播而來的光線到達金魚身上時，或被反射、散射或被遮擋，我們通過這些被反射、散射或被遮擋的光線可以感知到魚兒的存在，但如果我們能夠使光線繞過小金魚傳播，盡量減少小金魚對外界光線影響，就可以實現對小金魚的隱身。Chen, H., et al. (2013)."Ray-optics cloaking devices for large objects in incoherentnatural light." Nat Commun 4: 2652.科研人員也正是利用這套思路，設計了上圖由玻璃（折射率為1.78，圖中白色區域）以及空氣（折射率為1，圖中深藍色區域）組合而成的柱狀“隱身斗篷”，它只適用于在水（折射率為1.33，圖中淡藍色區域，有外部區域和內部通孔兩部分）中物體的隱身。通過設計合適的玻璃以及空氣部分的尺寸就可以達到隱身的目的。這樣奇妙的設計思路，由2006年發表在《Science》上的一篇文章：Controlling ElectromagneticFields率先提出，通訊作者是來自英國帝國理工的J. B.Pendry，那么是什么契機讓他們提出這樣一套設計思路呢？文章里給出了答案——Metamaterials，超材料。額…什么是超材料？它的英文單詞Metamaterial，其中拉丁語詞根“meta-”有“超出、另類”的含義，這就意味著這種材料有著自然界中傳統材料所不具備的性質，就該領域的發展現狀來說，這些性質可以是力學、熱學、光學、電磁學等等，擁有哪種性質就能以該性質命名，比如“電磁超材料”、“聲學超材料”、“力學超材料”……其中，“電磁超材料”是超材料的鼻祖，也依舊是當下科研人員研究的重點。我們就拿電磁超材料舉例，它們大都是由一系列的電磁諧振單元結構按照周期或者一定的規律排布而成，這些單元往往是由自然界中常見的材料制作而成，比如金屬或者是電介質。在經典電動力學里，我們用介電常數ε和磁導率u來描述材料宏觀電磁性質，而在超材料概念里，當單元的尺度遠小于入射波長時，我們同樣可以用有效介電常數εeff和有效磁導率ueff來描述超材料的宏觀電磁性質。單元結構是超材料的靈魂，通過對它們進行構型上的設計，我們將得到諧振單元本征材料所不具有的介電常數和磁導率，從而實現奇異的電磁現象，比如負折射率材料：1967年，VictorVeselago首次在理論上提出了介電常數和磁導率同時為負的“負折射率材料”，Negative-indexmaterials。1999年，之前提到的Pendry證明了金屬導線和開口諧振環結構（C形）可以分別實現負的介電常數和磁導率。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等人利用這兩種結構組成的陣列在微波波段同時實現了負的等效介電常數和磁導率，并在2003年給予了實驗驗證。R. A. Shelby, D. R. Smith,S. Schultz, (2003) “Experimental verification of a negativeindex of refraction”,Science 292, 77由于介電常數和磁導率同時為負時，電場 E、磁場 H和波矢 k的關系不再符合右手螺旋定則，而是滿足左手定則，因此這種材料又被稱作左手材料。同理，通過調節等效介電常數和磁導率不但可以獲得負的折射率，還可以控制電磁波的傳播方向和路徑，使得光線繞過障礙物繼續傳播，這就是所謂的隱身材料。2006年 D. Schurig等人利用環形排列的銅制開口諧振環結構，設計相應的εeff和ueff來重塑光線的軌跡，成功將放置在中心的銅環實現了微波波段的隱身。D. Schurig, et al. (2006),“Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies”,SCIENCE, 314, 997https://frontview.wordpress.com/2013/02/06/invisible-metamaterial/我們知道，可見光和微波都是電磁波，但可見光的波長卻遠遠小于微波，如果想制備工作在可見范圍內的超材料隱身斗篷，我們面臨的不僅僅是縮小諧振單元尺寸的問題，因為在極高的共振頻率下，諧振單元的共振會出現飽和，同時還會有巨大的電磁損耗。因此前文提到能讓小金魚在可見光范圍內隱身的六邊棱柱就沒有運用超材料——使用的依然是傳統材料，但這種對電磁波傳播控制的思路與超材料卻是一脈相承的。并不是說所有的超材料就一定優于傳統材料，只是超材料的出現為我們對電磁波的控制提供了更多的可能。而且在超材料的發展過程中也孕育出很多的理論和思想，這些思想碰撞出來的火花，才是我們科學前進的動力源泉。可能就現在的科技而言，我們還無法制備出像小說、電影里描述的那種隱身斗篷，但…夢想還是要有的，或許某年正月初一，當我們從鞭炮聲中一覺醒來，真的會有一件“隱身斗篷”等待著我們，到時候“請妥善使用”呀！電影《哈利波特與魔法石》參考資料：1.J. B. Pendry, et al.(2006) "Controlling Electromagnetic Fields." Science, 312 (5781),1780-17822.Wikipedia，Metamaterial，https://en.wikipedia.org/wiki/Metamaterial3.夏曉翔.太拉赫茲及近紅外人工超材料的制備與電磁特性研究(博士論文). 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 
京公網安備11010202008423號 京ICP備 16016202號-1