隱身的夢(mèng)想——專訪蘇州大學(xué)賴耘教授

本刊記者 李 沖

隱身的夢(mèng)想
——專訪蘇州大學(xué)賴耘教授

本刊記者 李 沖

在挪威神話中，具有超人力量的半神半人的、訓(xùn)練有素的武士sigurd擁有一件魔力無(wú)邊的斗篷。穿著它就可以起到隱身的作用，別人只聞其聲而不見(jiàn)其人，他可以來(lái)無(wú)影去無(wú)蹤。從哈利波特的隱身斗篷，到隱身外星鐵血戰(zhàn)士，無(wú)一不體現(xiàn)了人類天馬行空的想象力。

其實(shí)在現(xiàn)實(shí)世界里，多少年來(lái)，科學(xué)家們一直致力于研究隱身術(shù)所需用的材料，并且不同程度地取得了一些階段性成果。

蘇州大學(xué)賴耘教授的研究方向涉及和波相關(guān)的多個(gè)前沿課題，包括隱身及幻像，超構(gòu)材料，變換光學(xué)，光子晶體，聲子晶體，表面等離子體光子學(xué)等。雖然這些研究方向看似很不相同，但大體上都屬于波動(dòng)材料的研究范疇。賴耘教授也多次獲得《科學(xué)》，《自然》，《自然-材料學(xué)》，《探索頻道》，《華爾街日?qǐng)?bào)》等頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊和國(guó)際著名媒體廣泛報(bào)道。

“隱身雨傘可以讓未來(lái)的哈利波特看見(jiàn)光”

近年來(lái)，隱身這瓶“調(diào)味劑”經(jīng)常出鏡于小說(shuō)和電影當(dāng)中，體現(xiàn)了人類天馬行空的想象力。不過(guò)，想象終歸想象，多數(shù)人可能從未想過(guò)也許有朝一日可以利用科學(xué)的力量把隱身這個(gè)無(wú)數(shù)人的夢(mèng)想在現(xiàn)實(shí)里實(shí)現(xiàn)。

2006年，J. Pendry課題組和U.Leonhardt分別獨(dú)立在同一期《科學(xué)》雜志上刊登了兩篇論文，提出了利用麥克斯韋方程組在坐標(biāo)變換下的形式不變性或者亥姆赫茲方程的保角變換來(lái)實(shí)現(xiàn)隱身斗篷的設(shè)想。同年，D.R. Smith課題組在微波段利用超構(gòu)材料實(shí)驗(yàn)證實(shí)了隱身斗篷的效果。這幾項(xiàng)工作立刻吸引了全球科學(xué)家的密切關(guān)注與強(qiáng)烈興趣。之后幾年，國(guó)際上掀起了一陣對(duì)隱身研究的熱潮，不論理論還是實(shí)驗(yàn)都取得了重大的進(jìn)展。

關(guān)于軍事隱形（Stealth）與隱身(Invisibility)的區(qū)別，賴耘教授告訴記者：“軍事隱形一直是重要的科技前沿課題。然而，軍事隱形的主要目的是讓敵方雷達(dá)或聲納發(fā)出的入射波不在其反方向上反射，從而讓物體無(wú)法被敵方雷達(dá)或聲納探測(cè)到。而隱身需要讓物體在任何方向上都沒(méi)有散射波，即散射系數(shù)為零，或等同于背景介質(zhì)。因此，實(shí)現(xiàn)隱身的難度比軍事隱形更艱巨?！?/p>

之前Pendry和Leonhardt提出的方案雖不盡相同，但都是利用一個(gè)具有復(fù)雜電磁參數(shù)分布的斗篷彎曲光線傳播路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)隱身。當(dāng)入射光射到斗篷表面的時(shí)候，會(huì)繞過(guò)斗篷包裹的隱蔽空間，從而讓藏在其中的物體隱身。然而，因?yàn)楣饩€不會(huì)進(jìn)入隱蔽空間，藏在其中的物體（人）也無(wú)法感受到外界的光信息。因此，隱身斗篷可說(shuō)是有利有弊。

2008年，賴耘教授在香港科技大學(xué)陳子亭教授處做博后的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)通過(guò)變換光學(xué)可以設(shè)計(jì)出一種讓物體被隱身的同時(shí)也能看到外界的方法。這種方法不需要用一個(gè)斗篷器件包住要隱身的物體，而只需要放置一個(gè)隱身器件在物體附近即可。因此，這種方法被稱為“遠(yuǎn)程隱身”(“Cloaking at a distance”)。

賴耘教授說(shuō)：“遠(yuǎn)程隱身的原理和隱身斗篷完全不同。它是通過(guò)設(shè)計(jì)特殊的隱身器件，讓其散射波和物體的散射波在所有方向上都干涉相消，從而讓所有方向上都沒(méi)有散射波，也就是實(shí)現(xiàn)了全方位的隱身。其效果等同于隱身斗篷，但避免了斗篷致盲的缺陷?！?/p>

這項(xiàng)工作一經(jīng)發(fā)表立刻廣獲《科學(xué)》、《自然》、《物理世界》、《華爾街日?qǐng)?bào)》等媒體報(bào)道。其中《科學(xué)》雜志報(bào)道的標(biāo)題是“隱身雨傘可以讓未來(lái)的哈利波特看見(jiàn)光”，隱喻了遠(yuǎn)程隱身的兩大優(yōu)點(diǎn)，即不需要包住物體和可以讓物體看見(jiàn)外界光。而《自然》雜志報(bào)道的標(biāo)題是“超越隱身斗篷”。有趣的是，利用遠(yuǎn)程隱身的方法還可以實(shí)現(xiàn)只隱身物體的一部分，在墻上開一個(gè)虛擬的洞（透視）等等奇妙的功能。

遠(yuǎn)程隱身的工作也給了賴耘教授很多啟示。不久之后，他意識(shí)到，隱身其實(shí)只是一種特殊的幻像，即自由空間的幻像。既然可以實(shí)現(xiàn)自由空間的幻像，那么，有沒(méi)有可能實(shí)現(xiàn)任意的幻像呢，比如，將蘋果變成一只香蕉？答案是肯定的。2009年，他們?cè)谶h(yuǎn)程隱身的基礎(chǔ)上，首次嚴(yán)格證明了可以利用一個(gè)幻像器件改變一個(gè)物體的光學(xué)性質(zhì)，使之變成一個(gè)任意物體的幻像，這被稱為“幻像光學(xué)”（“Illusion optics”）。幻像光學(xué)將隱身領(lǐng)域推廣到了一個(gè)更加豐富多彩的領(lǐng)域。它引起了學(xué)界廣泛的關(guān)注和好評(píng)，獲得《自然-材料學(xué)》，《自然中國(guó)》，《物理世界》，《探索頻道》等媒體報(bào)道。其中，隱身領(lǐng)域創(chuàng)始人，著名學(xué)者J. Pendry爵士為之在《自然》雜志上特意寫了一篇亮點(diǎn)評(píng)論。他認(rèn)為這個(gè)發(fā)現(xiàn)是從科學(xué)上否定了“眼見(jiàn)為實(shí)”的人類幾千年的經(jīng)驗(yàn)常識(shí)，因而具有重要的意義。

“必須說(shuō)明的是，以上的成果幾乎都是理論證明和數(shù)值仿真。這是因?yàn)殡[身或幻像器件具有比較苛刻的電磁材料參數(shù)要求。至今為止，只有中科院電子所李超教授在微波實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了幾個(gè)幻像光學(xué)的特例。然而近年來(lái)，隨著科技手段不斷提高，同樣條件苛刻的隱身斗篷已經(jīng)在某些波段和情況下實(shí)現(xiàn)。相信遠(yuǎn)程隱身和幻像光學(xué)未來(lái)也會(huì)有越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)研究乃至于應(yīng)用。值得欣慰的是，在這個(gè)領(lǐng)域，中國(guó)可以說(shuō)是走在了世界前列。港科大，南大，東大，武大，復(fù)旦，同濟(jì)，浙大，中大，中科院等等，紛紛做出了重量級(jí)的研究成果。”賴耘教授如是說(shuō)道。

最熱門的前沿研究——超構(gòu)材料

隱身或者幻像為什么這么難實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)樗鼈冃枰哂蟹浅Ｌ厥獾碾姶艆?shù)，即介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ的材料。這些參數(shù)如此特殊，以至于自然界里是找不到的。但是科學(xué)家們并沒(méi)有絕望，而是發(fā)明了一種稱之為“超構(gòu)材料”（“Metamaterial”）的人工材料來(lái)實(shí)現(xiàn)這些自然界中不存在的參數(shù)。理論上講，超構(gòu)材料可以在單頻上實(shí)現(xiàn)任意的電磁參數(shù)。目前，超構(gòu)材料的研究是國(guó)際上最熱門的前沿研究領(lǐng)域之一。

賴耘教授在超構(gòu)材料領(lǐng)域做出了幾項(xiàng)有趣而重要的成果和貢獻(xiàn)。

他首次利用光子晶體實(shí)現(xiàn)了雙零電磁超構(gòu)材料，也就是ε=0和μ=0的材料。之前學(xué)界對(duì)超構(gòu)材料的研究主要是集中在雙負(fù)材料，2011年,賴耘教授，香港科技大學(xué)陳子亭教授及其團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)利用光子晶體中的偶然簡(jiǎn)并就可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)雙零超構(gòu)材料(ε=0且μ=0)。

有趣的是，這個(gè)偶然簡(jiǎn)并同時(shí)會(huì)導(dǎo)致在簡(jiǎn)并頻率處有一個(gè)狄拉克點(diǎn)的存在。

為了證明這個(gè)理論，他們用光子晶體做出的零參數(shù)材料做了幾個(gè)有趣應(yīng)用的數(shù)值模擬和微波段的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，包括聚焦，波導(dǎo)內(nèi)隧穿和隱身等，從理論和實(shí)驗(yàn)上都證明了光子晶體作為雙零超構(gòu)材料的效果。因?yàn)楣庾泳w是由電介質(zhì)組成，在光頻段具有低損耗的良好特性，因此這項(xiàng)成果預(yù)示了在光頻段實(shí)現(xiàn)零參數(shù)超構(gòu)材料的可能性，具有重要意義，發(fā)表在2011年的《自然-材料學(xué)》上。

賴耘教授還在聲學(xué)超構(gòu)材料領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)了一些具有奇異性質(zhì)的固體聲學(xué)超構(gòu)材料。超構(gòu)材料的原理不僅適用于電磁波，也適用于聲波，彈性波等經(jīng)典波。利用聲學(xué)超構(gòu)材料同樣可以實(shí)現(xiàn)自然界材料所不具備的一些聲學(xué)性質(zhì)，比如說(shuō)具有負(fù)數(shù)質(zhì)量和負(fù)數(shù)彈性模量等。但是至今聲學(xué)超構(gòu)材料的研究仍然大大滯后于光學(xué)超構(gòu)材料。

2011年，賴耘教授，香港科技大學(xué)張昭慶教授及其團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)計(jì)多質(zhì)點(diǎn)共振單元以及固液混合共振單元，發(fā)現(xiàn)固體聲學(xué)超構(gòu)材料可以具備某些非常奇特的性質(zhì)。比如說(shuō)，翻開任何一本聲學(xué)或者彈性波教科書的話，都可以找到“固體里不僅可以傳播縱波，也可以傳播橫波”這個(gè)經(jīng)典的物理知識(shí)。然而，通過(guò)精心設(shè)計(jì)固體聲學(xué)超構(gòu)材料，可以實(shí)現(xiàn)固體里只能傳播縱波，不能傳播橫波；或者剛好相反，能傳播橫波而不傳播縱波；或者具有超各向異性，即在某些方向上只能傳播縱波，在另一些方向上只能傳播橫波。這些固體聲學(xué)超構(gòu)材料的發(fā)現(xiàn)不僅打破了教科書知識(shí)，拓寬了聲學(xué)材料的種類，未來(lái)還可能實(shí)現(xiàn)聲學(xué)偏振片，完美縱橫模轉(zhuǎn)換等等實(shí)用的功能。這幾項(xiàng)工作分別發(fā)表在今年的《自然-材料學(xué)》和《物理評(píng)論快報(bào)》上。并獲加拿大著名聲學(xué)專家J. Page教授在《自然-材料學(xué)》上以“既非固體亦非液體”為題做了專題亮點(diǎn)評(píng)論。

“展望未來(lái)，相信超構(gòu)材料仍然會(huì)是一個(gè)蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域。隨著未來(lái)納米制作水平的不斷提高，這些具有奇異性質(zhì)的超構(gòu)材料可能會(huì)一個(gè)個(gè)從猜想、理論走到實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)實(shí)中來(lái)。它們對(duì)人類科技力量的提升將具有非常重要的意義和價(jià)值?！辟囋沤淌趯?duì)未來(lái)充滿信心的說(shuō)道。

對(duì)于此次能夠成功入選青年千人計(jì)劃和新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃，賴耘教授覺(jué)得他是非常幸運(yùn)的，也非常感謝國(guó)家對(duì)他的重視。去年回國(guó)以來(lái)，蘇州大學(xué)也給予了較好的研究條件和環(huán)境，并和多位海歸教授組成了研究團(tuán)隊(duì)。今后會(huì)努力在波動(dòng)材料研究領(lǐng)域里做出更多創(chuàng)新性的成果，不辜負(fù)國(guó)家的期望！