隐身斗篷的“隐身衣”
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发布时间：2023-01-15 19:25
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时间：2023-07-16 04:40
在《哈利·波特》的魔法世界中，魔法学校的校长邓布利多捎给了哈利一张无比神奇的隐身斗篷。而在现实世界中，或许用不了多久，我们也能收到由科学家送出的这一神秘礼物。
来自美国加州大学伯克利分校的研究人员，最近朝着“隐身衣”的梦想迈进了一步。
这个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。
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*。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*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。
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？
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*，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*，在人眼面前“消失”，如果在其他波段不能实现*，仍然可以通过其他手段探测到。
在所需要的波段实现*，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*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*方的课题经费。
