让电磁波转弯——关于隐身斗篷的消息

     
加州大学的隐身斗篷
隐身斗篷（invisibility cloak）能改变光的波长，让光像流水一样环绕着流过斗篷而不产生反射折射。目前这个斗篷基本上能在微波下“隐身”了。据说随着今后科学技术的进步，这东西就能完全的让我们“视而不见”。
加州大学伯克利分校的科学家已经在隐形衣研究方面取得重大进步，哈里·波特的隐身工具可能很快就会变成现实。他们已经设计出两种新材料，一种利用网状金属层，另一种利用很细的银丝，这两种材料既不吸收阳光，也不反射阳光，而是使光线沿原路返回。这种隐形衣的工作原理是折射作用，折射作用导致水中的麦秆看起来变弯了。
浙江大学毕业生刘若鹏和美国科学家共同研制出一种可以扭曲微波的隐身斗篷。这种斗篷的运作秘诀就在于它能令微波的路径变弯。它的设计如果完美，那么穿着的人或它覆盖的建筑物和工业用地都会隐身,造成上视觉上的看不见。
人之所以能看见物体，因其阻挡了光波通过，中科院物理所一名光学研究人员对记者表示，理论上来说，要是能让光“转弯”，研制出“隐身衣”是完全有可能的。
浙江大学博士生陈红胜，曾在美国物理学顶级学术刊物《物理评论快报》发表论文，首次解隐身衣的物理机制。“应该是让电磁波‘转弯’，绕着物体走，绕过障碍物，这样物体就能‘隐身’。”陈红胜表示。隐身衣的研究在国外非常热，由于该技术有很好的保密效果，被认为可广泛应用在军事上，如用在飞机和潜艇上，雷达就很难探测到它们的存在。

      来自美国加州大学伯克利分校的研究人员，由华裔教授张翔领导的研究小组，成功研制出新型的三维材料，能够使光线通过时发生弯曲，从而神秘“消失”。打个比方，当流水经过一块石头时，水流会绕过石头，然后继续向前，就像没有遇到石头一样。
超材料的问世
    张翔及其同事研制的材料之所以能够改变光线的传播方向，归功于其“负折射”的特性。与之相比，所有的天然材料都具有正折射率。
    折射过程可以用这样一个经典图示来说明：筷子插入水中的部分看起来似乎向水面方向弯曲。假如水显示出负折射的特性，筷子被水淹没的部分看上去则似乎是跳出了水面。如果将筷子换成一条鱼，我们也可以看到类似的效果。
负折射示意图
    既然天然材料无法实现“负折射”，科学家们想到人工研制出一类超材料（metamaterials）。通过对材料的结构进行人为设计，来获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。
    超材料的理论和实验发展，直接催生了“隐身衣”研究。2006年初，伦敦帝国理工大学的潘德瑞教授（John Pendry）提出“隐身衣”的可行性构想，超材料能够让光线绕过物体，从而使物体隐形。当年年底，潘德瑞和美国杜克大学的舒里希（David Schurig）、史密斯（David Smith）等科学家，共同展示了一种超材料。
　　这两年，超材料逐渐成为国际上的一个研究热点。
　　不过，科学家们拿出的超材料魔力还十分有限：只在单层的二维材料上取得了成功，而且“负折射”特性只出现在微波范围。对于波长更短的光，比如人眼适应的可见光，还无能为力。也就是说，这些超材料还无法制造成在那种人眼前消失的“隐身衣”。
可见光的消失
　　张翔领导的研究小组，则将超材料和“隐身衣”的研究往前推进了一步。
　　这个研究小组，分别在8月13日出版的《自然》杂志网络版和8月15日的《科学》杂志发表论文，报告了两种合成超材料的方法。
　　在《自然》论文中，研究小组描述了一种三维“渔网”形的超材料。他们将导电的银和不导电的氟化镁交替堆叠在一起，并在层与层之间挖出纳米（一根头发丝的直径大致相当于10万个纳米）尺寸的渔网图样。
可见光的消失
　　张翔领导的研究小组，则将超材料和“隐身衣”的研究往前推进了一步。
　　这个研究小组，分别在8月13日出版的《自然》杂志网络版和8月15日的《科学》杂志发表论文，报告了两种合成超材料的方法。
　　在《自然》论文中，研究小组描述了一种三维“渔网”形的超材料。他们将导电的银和不导电的氟化镁交替堆叠在一起，并在层与层之间挖出纳米（一根头发丝的直径大致相当于10万个纳米）尺寸的渔网图样。
三维超材料

伯克利研究人员获得的三维超材料，左为结构示意图，右为扫描电子显微镜下的图片。
　　这样，在波长最大不超过1500纳米，即近红外线的范围内，出现了负折射。研究人员解释说，每对相邻导电层之间都会形成一个电流环路，交替堆叠则产生一系列环路，这些环路被用来响应入射光线产生的磁场，从而使光线发生偏折。
　　在《科学》论文中，研究人员则采用了另一种方法。这种超材料由嵌在多孔氧化铝内的银纳米导线组成，可以使波长不超过660纳米的红光（属于可见光）到红外线波段出现负折射现象。
　　这也是科学家首次在可见光波段实现“负折射”。
　　张翔对媒体表示：“我们用两种完全不同的方法，制造出了在比较广的波长光谱范围出现负折射的大块超材料，而且能量损失较小，朝着超材料的实际应用迈进了一步。”
“隐身衣”究竟还有多远？
　　那么，我们什么时候才可以穿上“隐身衣”呢？

工作原理
　　要真正实现“隐身”，理论上需要对所有可见光波段实现负折射，而科学家目前还无法做到这一点。
　　张翔研究组成员、《科学》论文主要作者之一姚杰告诉《财经》记者，尽管这两种技术获得了成功，但要真正实现对可见光的隐形，还存在一些技术困难。他所参与的多空氧化铝中嵌入银纳米线的超材料，除了红光之外，对于其他波段的光如蓝光，则无法起作用，“不同的光的偏折条件是不同的，这也是我们下一步研究工作要面对的一个重要难题。”
　　当然，光，或者说电磁波的波段极为宽广，即使在所有可见光波段实现隐形，在人眼面前“消失”，如果在其他波段不能实现隐形，仍然可以通过其他手段探测到。
　　在所需要的波段实现隐形，只是科学家需要面对的诸多难题之一。
　　例如，姚杰表示，就目前的技术而言，“还没有办法做出面积更大的可见光超材料”。这就是说，目前还无法规模生产超材料，而且也无法随心所欲地制造成所需要的形状。伯克利研究人员目前能够制造出来的“大块超材料”，最多也就是几个平方毫米大小。
　　此外，这种超材料由金属制成，非常容易破碎。
　　因此，“隐身衣”究竟何时能够成为现实，还很难预料。
　　实际上，推出“隐身衣”并不是科学家研究超材料的主要目的。在纳米成像、半导体工业等领域，超材料更可能发挥更为直接的作用。例如，利用超材料有望制造出更小更精密的半导体元器件，同时降低制作成本。
　　对于超材料研究最感兴趣的，或许是军方。和日常生活相比，军方对隐形技术的需求更为迫切。
　　据了解，伯克利科学家的研究就不仅获得美国国家科学基金会的资助，还拿到了美国军方的课题经费。