隱身斗篷里的“超構(gòu)乾坤”

張興華

我們是如何看到物體的？

要想知道隱身斗篷是如何隱身的，就要先了解人們是如何看到物體的。

光是在空間中傳播的一種電磁波。不同顏色的光對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的電磁波，人眼能夠看到的電磁波稱為可見光，也就是波長(zhǎng)范圍很窄的一段電磁波。電磁波還包括其他波長(zhǎng)不同的不可見光線，包括微波、紅外線、紫外線、X 射線和伽馬射線。

我們看到物體主要是因?yàn)楣庠谖矬w的表面上發(fā)生反射，人眼看到了反射光線，從而意識(shí)到這里有一個(gè)物體。

如果能夠調(diào)控物體的反射光，使得觀察者不能接收到反射光，那么對(duì)于觀察者而言，這個(gè)物體就是隱身的。在很多場(chǎng)景下，人們是從固定的角度來觀察物體，如果物體的反射光與其環(huán)境有很大差別的時(shí)候，人們能夠通過反射光判斷物體的形狀和大小;當(dāng)降低物體反射光與環(huán)境的反射光之間的差別，該物體就能實(shí)現(xiàn)隱身。

例如，光線照在魚身上后，會(huì)產(chǎn)生反射，這些反射波傳到我們的眼睛，就形成了我們所看見的小魚的模樣。既然如此，如果我們能控制光線從小魚身邊繞過去，那么就沒有光的反射，小魚也就會(huì)“看起來”消失不見！

超構(gòu)材料如何實(shí)現(xiàn)隱身魔法？

在過去，研究者用攝像機(jī)加上顯示屏來制造隱身斗篷，但它只能對(duì)某個(gè)方向隱身，而且需要耗費(fèi)許多能量，導(dǎo)致實(shí)用性低。

超構(gòu)材料的發(fā)明使得隱身斗篷得以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)我們把介質(zhì)里很微小的人工結(jié)構(gòu)進(jìn)行有序排列后，就可以改變介質(zhì)的宏觀性質(zhì)。這些經(jīng)過人工排序的微結(jié)構(gòu)組成的介質(zhì)，就叫作超構(gòu)材料。

那么，超構(gòu)材料是如何實(shí)現(xiàn)隱身的呢？辦法是在材料表面制備納米尺度的金屬天線。在有光照時(shí)，光能與金屬的表面電磁波發(fā)生共振，這些耦合的表面波和電荷的振蕩也被稱為表面等離激元。這種振蕩會(huì)造成入射光相位的急劇跳變，不同尺寸的天線實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)不同相位的跳變，因而通過設(shè)計(jì)不同形狀的天線在空間中的排布可以改變光線的路徑，阻止光發(fā)生反射，從而達(dá)到隱身的效果。

給我一點(diǎn)超構(gòu)材料還你一件隱身斗篷

由于隱身斗篷所需的結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，早期的研究主要是針對(duì)微波的隱身。隨著超構(gòu)材料的出現(xiàn)，在可見光波段使用的隱身斗篷終于被設(shè)計(jì)制造出來。

被稱為光學(xué)孤立斗篷的隱身斗篷可以在三維空間中將物體隱身起來。光學(xué)孤立斗篷可以將進(jìn)入其中的電磁波偏轉(zhuǎn)，引導(dǎo)光繞過需要被隱藏的區(qū)域，并讓電磁波在離開斗篷區(qū)域的時(shí)候回到它們?nèi)肷鋾r(shí)候的取向，就好像沒有任何反射發(fā)生過一樣，讓人們?cè)谌魏谓嵌扔^察這個(gè)區(qū)域的時(shí)候都看不到反射光。

超構(gòu)材料可以制作出傳統(tǒng)光學(xué)器件不能實(shí)現(xiàn)的神奇光學(xué)特性，比如負(fù)折射率結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以將發(fā)散的光線在空中匯聚起來，不需要介質(zhì)承載就可以在空氣成像。結(jié)合空間定位等交互控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)人與空氣中的影像直接交互。這樣的技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了醫(yī)院無接觸式自助掛號(hào)機(jī)以及地鐵自助售票終端上?；颊呋虺丝涂吹綉腋≡诳諝庵械钠聊伙@示畫面，通過直接在空氣中點(diǎn)擊，就能完成掛號(hào)或購(gòu)票，而不需要觸摸儀器。

超構(gòu)材料的研究是一門前沿、實(shí)用的科學(xué)，它正朝著更薄、更輕、更廣泛的方向發(fā)展。過去，隱身還是人類遙不可及的夢(mèng)想，如今，夢(mèng)想已逐漸變成了現(xiàn)實(shí)。人類對(duì)未來的暢想，真是推動(dòng)科學(xué)進(jìn)步的一股動(dòng)力！