“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——

“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??！

直到一天，一條新聞讓我眼前一亮：

這是2013年浙江大學(xué)陳紅勝教授團(tuán)隊與新加坡南洋理工大學(xué)等國際團(tuán)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(xiàn)了對中間通孔內(nèi)物體的隱身。

實現(xiàn)隱身的思路概括起來其實也不復(fù)雜，水中的魚進(jìn)入通孔前之所以不能隱身，那是因為當(dāng)四面八方傳播而來的光線到達(dá)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(xiàn)對小金魚的隱身。

科研人員也正是利用這套思路，設(shè)計了上圖由玻璃（折射率為1.78，圖中深藍(lán)色區(qū)域）以及空氣（折射率為1，圖中深白色區(qū)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(lán)色區(qū)域，有外部區(qū)域和內(nèi)部通孔兩部分）中物體的隱身。通過設(shè)計合適的玻璃以及空氣部分的尺寸就可以達(dá)到隱身的目的。

這樣奇妙的設(shè)計思路，由2006年發(fā)表在《Science》上的一篇文章：Controlling Electromagnetic Fields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(jī)讓他們提出這樣一套設(shè)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(tǒng)材料所不具備的性質(zhì)。

就該領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀來說，這些性質(zhì)可以是力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)等等，擁有哪種性質(zhì)就能以該性質(zhì)命名，比如“電磁超材料”、“聲學(xué)超材料”、“力學(xué)超材料”……其中，“電磁超材料”是超材料的鼻祖，也依舊是當(dāng)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(jié)構(gòu)按照周期或者一定的規(guī)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(zhì)。

在經(jīng)典電動力學(xué)里，我們用介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ來描述材料宏觀電磁性質(zhì)，而在超材料概念里，當(dāng)單元的尺度遠(yuǎn)小于入射波長時，我們同樣可以用有效介電常數(shù)εeff和有效磁導(dǎo)率μeff來描述超材料的宏觀電磁性質(zhì)。

單元結(jié)構(gòu)是超材料的靈魂，通過對它們進(jìn)行構(gòu)型上的設(shè)計，我們將得到諧振單元本征材料所不具有的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，從而實現(xiàn)奇異的電磁現(xiàn)象，比如負(fù)折射率材料。

1967年，Victor Veselago首次在理論上提出了介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為負(fù)的“負(fù)折射率材料”，Negative-index materials。1999年，之前提到的Pendry證明了金屬導(dǎo)線和開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)（C形）可以分別實現(xiàn)負(fù)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。

直到 2000 年 D. R. Smith等人利用這兩種結(jié)構(gòu)組成的陣列在微波波段同時實現(xiàn)了負(fù)的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，并在2003年給予了實驗驗證。

由于介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為負(fù)時，電場 E、磁場 H 和波矢 k 的關(guān)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(diào)節(jié)等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率不但可以獲得負(fù)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(xù)傳播，這就是所謂的隱身材料。

2006年 D. Schurig 等人利用環(huán)形排列的銅制開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，設(shè)計相應(yīng)的εeff和μeff來重塑光線的軌跡，成功將放置在中心的銅環(huán)實現(xiàn)了微波波段的隱身。

我們知道，可見光和微波都是電磁波，但可見光的波長卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于微波，如果想制備工作在可見范圍內(nèi)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(xiàn)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(nèi)隱身的六邊棱柱就沒有運用超材料——使用的依然是傳統(tǒng)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(yōu)于傳統(tǒng)材料，只是超材料的出現(xiàn)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(fā)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(xué)前進(jìn)的動力源泉。

可能就現(xiàn)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(dāng)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！

參考文獻(xiàn)

[1]?電影《哈利波特與魔法石》

[2]?央視網(wǎng)，http://tv.cntv.cn/

[3]?Chen, H., et al.(2013)."Ray-optics cloaking devices for large objects in incoherent naturallight." Nat Commun 4: 2652.

[4]?J. B. Pendry, et al. (2006) "Controlling Electromagnetic Fields."Science, 312 (5781), 1780-1782

[5]?wikipedia,https://en.wikipedia.org/wiki/Metamaterial

[6] 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.

[7]?J. B. Pendry, et al. (1999) " Magnetism fromConductors and Enhanced Nonlinear Phenomena." IEEE TRANSACTIONS ONMICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, 47(11), 2075-2084

[8]?D. R. Smith, et al. (2000) “Composite medium with simultaneouslynegative permeability and permittivity”, Phys. Rew.Lett., 84, 4184

[9]?D. Schurig, et al. (2006), “Metamaterial electromagnetic cloak atmicrowave frequencies”, SCIENCE, 314, 997

[10]?https://frontview.wordpress.com/2013/02/06/invisible-metamaterial/

出品 | 科普中國

制作 | 中科院物理所科學(xué)傳播協(xié)會

監(jiān)制 | 中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

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