隐形之梦，一朝成真

readenter

这是一个名副其实的壮举：两位物理学家最近刚刚研制出一种新材料，它可以使物体隐形！那我们岂不是很快就能披上哈里·波特那著名的隐形斗篷了？

编译：李沁

　　去年10月中旬，一向以严谨著称的《科学》(Science)杂志发布了一则轰动性的消息：“我们在此向大家介绍隐形斗篷的第一件实物样品。”隐形斗篷？难道那个由英美物理学家组成的研究小组，在美国杜克大学的戴维·史密斯(David Smith)和英国伦敦帝国学院的约翰·潘德瑞(John Pendry)的领导下，已经成功地研制出了这件梦幻宝贝？要知道，这可是配得上北欧神话中屠龙英雄西格弗里德(Siegfried)、或者乔安娜·罗琳(Joanna Rowling)笔下著名的魔法学徒哈里·波特的神奇东西啊！我们可以在某种程度上肯定地说，的确如此！大家可以自己来评判：当我们把一个铜质小圆柱塞进戴维·史密斯精心缝制的斗篷中以后，斗篷的一部分就看不见了。更确切地说，“斗篷和圆柱放在一起以后，就变得像一个空洞的空间一样”。在这一点上，对在圆柱周围传播的光波所作的测量非常能够说明问题。正如水流绕过鹅卵石一样，电磁波——也就是光——既没有被小圆柱反射回来，也没有被它所吸收，而是绕了过去。于是，小圆柱便逃脱了人们的视线。真是神奇！即使目前这块隐形斗篷只能在二维空间(即只能通过一道缝隙观看)内起作用，而且只适用于一小段同可见光波长相差甚远的波段，但我们必须承认：幻想已经部分地变成了现实。

折射率竟然为负

　　这一戏法的秘密是一种被称为“超常介质(metamaterials)”的新型人造材料。这种材料的独特之处在于它拥有一个经过精心雕琢的纳米结构，可以精确地控制其电磁特征。“十年前，我在马可尼通信公司担任顾问，该公司要求我研究含有细小碳层的材料对雷达波的吸收情况。”先驱者约翰·潘德瑞告诉我们说。“就这样，我发现，如果在微观层面上改变材料的结构，那么光波在这种材料中的传播状况也会随之发生改变。”随着这位英国科学家对理论研究的深入，他证明只要在特意挑选的材料上刻上规则图案，就能改变该材料对电磁波的反应。其实，约翰·潘德瑞在无意之中回应了一位名叫维克托·韦谢拉戈(Victor Veselago)的苏联物理学家的研究，后者在1966年曾经描绘过负折射率材料所可能拥有的特征。

　　要想了解新材料引发的革命，就必须回溯到17世纪。当时，法国学者勒内·笛卡儿(René Descartes)和荷兰数学家威里布里德·斯涅尔(Willebrord Snell)已经确定了折射定律。他们发现，光在透明材料中的传播方式可以通过一个数字来表示，那就是折射率。我们只需回想一下放在水杯里的麦管。在水和空气的交界处，它看上去就如同是被折断了一样。之所以会有这种错觉，是因为光在空气中的传播速度比在水中快，也就是说空气的折射率比水小。由此造成的结果是：光线被折射了。此外，光在真空中的折射率为1，而所有已知天然材料的折射率都大于1。不过，这并没阻止维克托·韦谢拉戈想象折射率小于1、等于0，甚至是负数的材料的特征。

　　这里面的物理原理非常简单。要想让一种材料拥有负折射率，只需使它的两个物理特征变为负数即可。

结果最初遭到质疑

　　维克托·韦谢拉戈在理论分析中发现，在假想的负折射率材料内部，有很多光学特征都是相反的，特别是光束，它们的折射方向与传统材料相反。韦谢拉戈试图借助半导体制造出负折射率材料，但无功而返，久而久之，他的研究逐渐被人们淡忘。直到2000年，戴维·史密斯和谢尔顿·舒尔茨(Sheldon Schultz)在加里福尼亚得知潘德瑞的研究结果后，才将其与韦谢拉戈的研究联系了起来。成功了！2001年，这两位美国物理学家终于制造出第一批超常介质。这一结果令人惊讶，以至于在最初的几个月里，一些物理学家对此大加质疑。直到后来，随着新的测量数据的不断涌现，质疑才最终销声匿迹。紧随其来的便是对新材料迷恋。

复杂的制造过程

　　今天，世界上有几十个实验室在从事该领域的研究，每两个月就有一次关于超常介质的会议召开，相关的论文也成百上千地在发表。应该说“超常介质为我们带来了从前连做梦都不敢想的机遇，”约翰·潘德瑞激动地说。

　　问题在于，这些超常介质的制造非常复杂。为了控制它们的光学特征，图案的重复必须非常规则，其尺寸也必须在所针对波长的十分之一左右。比如，如果我们希望某种超常介质能在波长400至800纳米的可见光范围里有效，那么按规则排列的铜线和铜圈构成的图纹尺寸必须小于40纳米。而且这必须在三维空间里实现。“这已是纳米光刻技术的极限了。”安德烈·德吕斯特拉克(André de Lustrac)解释说。