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 一类可以“隐形”的新型材料 |
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断章师爷
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加入时间: 2009/08/25
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作者：断章师爷 在 驴鸣镇 发贴, 来自 http://www.hjclub.org
一类可以“隐形”的新型材料
断章师爷
拙文“一个甲子以前看过的书”中提及儿时看过一本英国科幻小说《隐身人》，说的是一个物理学家（抑或生理学家？）发明了一种药物，把自己变成了来去无踪的隐身人。那是十九世纪末叶的作品，然而前些年一种新颖材料的问世，使得这个天方夜谭式的科学幻想正在逐步变成现实。
这种新颖材料称之为超越材料，英文名字是metamaterials，前缀“meta”在这儿使用的意思是超越，我不知道中文是否有对应的译名，姑且把它称为超越材料吧。
超越材料是一种人造材料，具有自然界材料所没有的性质。它们的优异性能得益于其结构而非其组成，也就是说利用微小的非均匀性形成一种有效的宏观行为。其实，从严格的材料学科界限来说，超越材料并不是一种材料，而只是一种特殊的微器材或者说微元件。
关于这种超越材料的最初研究是材料的负折射率问题。具有负折射率材料的出现开创了所谓的超级棱镜，它们具有的光学分辨率可以低于入射光的波长。这就意味着对于梯度折射率材料[1]在一个比较狭窄的波段范围可以成为“隐形”的。尽管，最初的超越材料是基于电磁性质的，目前其他一些基于声学性质或纳米尺度性质的超越材料也都成为相当活跃的前沿课题了。
负折射率超越材料（NIM即 Negative index metamaterials 的缩写）具有一种人造结构，其折射率在一定的频率范围具有负的数值。任何已知的天然材料都不具备这种性质。只有通过巧妙的人工构筑，才能产生。这种材料有时也称为左手介质（LHM即 Left - handed media 的缩写）或者后向波介质（BWM即 Backward wave media 的缩写）等。
下面简单介绍一下具有负折射率的超越材料。
几乎所有的透明材料，例如玻璃或水等，遇见光线时其电容率ε和磁导率µ两者都具有正值。然而，有些材料，例如金和银等，在可见光波段处具有负的电容率ε。当电容率ε和磁导率µ中的任何一个为负值时，对于电磁辐射来说，材料就是不透明的。不过在实际上。更常使用的是另一个物理量折射率n，其数值为ε和µ的乘积开平方根。
所有已知的寻常透明材料，其折射率n取正的平方根值。然而，当电容率ε和磁导率µ两者都为负值时，它们的乘积εµ是正数，所以其折射率n也是实数。但是，在这种情况下，n取负的平方根值。莫斯科物理与技术研究所的Victor Veselago教授是世界上第一个提出负的电容率ε和磁导率µ概念的理论先驱者。早在1967年他就用俄语撰写了一篇论文“同时具有负的ε和µ值物体的电动力学”，发表在《物理科学进展》上 （参见Sov. Phys. Usp. 10 (4): 509–14.），从理论上证明这种材料可以传递光。他还指出这种折射率为负值的材料存在于物理学定律之内，然而其性质与折射率为正值的材料截然不同。例如遵循反常的左手规则，逆向的Doppler效应等等。这篇文章在1968年被译成英语，先后被引用过1600多次。正是这篇不足5页的文章奠定了负折射率超材料的理论基础。顺便说一句，今年82岁高龄的Victor Veselago教授是俄罗斯列别捷夫学派的传人之一，著名的萨哈罗夫教授是他的师兄。上世纪90年代，俄罗斯经济社会遭遇困难，列别捷夫物理研究所始终坚持基础科学研究，没有转向去挣钱，没有动摇过对科学的信仰。列别捷夫物理研究所已有7人荣获诺贝尔奖（切连科夫、塔姆、弗兰克、巴索夫、普拉霍罗夫、萨哈罗夫和金茨堡），其中6人获得诺贝尔物理学奖，1人获诺贝尔和平奖。然而中科院的头面人物却是江绵恒之流的权贵子弟以及何祚庥之流的党棍宵小，相比之下怎不令人扼腕摇头呢？
这种折射率为负值的材料具有很多令人感兴趣的性质，通常情况下，不管是固体、液体或者气体；不管是透明还是不透明的；不管是导体还是绝缘体，都遵循折射定律，也即Snell定律：入射介质的折射率与入射角正弦的乘积应该等于折射介质的折射率与折射角正弦的乘积。我们可以很方便地利用二维笛卡尔坐标来说明一下。假设X轴是界面，入射线从第二象限上方照射在原点上，反射线在第一象限，自原点向右上方反射。如果折射率为正的话，折射线位于第四象限，自原点向右下方折射。但是，当折射率为负的话，折射线出现在第三象限，自原点向左下方折射。这是学过几何光学的人都可明白的。如果介质的性质连续地变化的话，光线就沿着曲线方向传播。
此外，Doppler效应是当波源和观察者之间具有相对运动时，观察者接受到波的频率与波源发出的频率并不相同。例如从远方驶来的火车鸣笛声变得尖细（频率变高，波长变短），远离而去的鸣笛声变得低沉（即频率变低，波长变长）。但是对于负折射率的材料，会出现Doppler效应的逆现象，光源运动对着的方向处的频率减低。
再如平面波在这种折射率为负的电磁材料中行进时，其电场、磁场和波矢遵循左手规则，这与通常的光学材料的方向恰恰相反。
那么为什么折射率为负值的材料具有隐形的能力呢？众所周知，所有材料都会通过散射、反射和吸收等方式改变照射在它们上面的光线。人之所以能看到物体，是因为物体阻挡了光波通过。光线照射到物体，经过反射进入人体的眼睛，在视网膜上成像并刺激视神经，传送到脑中的讯号形成了物体的形状，于是就知道看见了该物体。若使用具有负折射率的超越材料覆盖在物体表面，如上所述，光线会沿着曲线方向传播。被物体阻挡的光线能发生弯曲并“绕着走”，那么光线就似乎没有受到任何阻挡。在观察者看来，物体就似乎变得“不存在”了，从而实现了视觉上的“隐形”效果。
从几何光学的角度来看，超越材料的引入可以使光线从一种材料进入另一种材料时，沿任意选定的方向折射。这种控制光线轨迹的能力，使得人们可以自由地设计各种具有超乎寻常性能的光学器件。其实，光线的弯曲除了可在由质量引起的弯曲空间中产生，也可以在非均匀电磁介质中得到，比如海市蜃楼就是源于非均匀大气层引起的光线弯曲。
然而，理论的论证是一回事，工艺的实施又是另一回事。尽管Victor Veselago早在上世纪60年代就提出与负折射率物体相关的理论，直到30年之后物理学界才迈出了具有实质性意义的关键一步。1999年伦敦帝国学院的理论物理学教授John Pendry提出了一种称为开环共振子( split ring resonator ) 的设想。根据他的论证与波传播方向一致的金属丝，可以产生一种负的介电常数，即ε<0。其实，自然界中也有一些材料（譬如铁电体等）具有负的介电常数。关键是要得到负的磁导率，即μ<0。他提出了开环共振子的设想，沿波的传播方向上设置一个带有开口的环，可以得到负的磁导率。这个原理非常简单，学过普通物理就可明白：当磁通量穿越金属环时将在环里引起感应电流，它们产生的通量将增强或削弱入射场 (取决于开环共振子的性质 )。由于环上有个缺口，这种结构使得共振子支撑的波长可以远远大于环的直径。当时间常数足够大时，环上的微小开口处形成很大的电容数值，它可以降低共振子的频率。结果导致很低的辐射损失和很高的质量因子(Q值)。这种元件的结构尺寸远远小于共振子的波长。当电磁场的频率低于共振子的频率时，开环共振子元件的磁导率μ的实部是正的(在交变电磁场里磁导率μ应该用复数表示 ) ；当电磁场的频率高于共振子的频率时，开环共振子元件的磁导率μ的实部则是负的。这个负的磁导率可以用来和另一种结构产生负的介电常数ε形成负的折射率。从外形上看，这种开环共振子象两个 “C”形的同心环，但是内外环上的两个开口互成180°，利用微光电元件的蚀刻加工技术制成。再将这些双“C”形同心环基元与金属导线按照一定的空间规律进行周期性的排列，就形成了具有负折射率的超越材料结构单元了。
J. Pendry教授利用光学变换的方法提出了所谓“隐形斗篷”（invisible cloak）的制造方案。由于超越材料可以让光线沿任意方向折射，因此变换方向的光线轨迹有可能在实验室中出现。那么相应的电磁参数应该如何选择呢？理论上的答案并不困难：基于张量变换的关系，可以得到保持Maxwell方程不变的各种坐标变换形式。在J. Pendry教授的电磁模型提出后不久，美国加州大学的D. R. Smith等人就制出了可以改变微波折射方向的超越元件。此后各种各样的超越材料纷纷面世，超越材料成为一门非常活跃的显学。2008年以来，J. Pendry教授就是诺贝尔物理奖的热门候选人之一。让我们拭目以待，看看科学界的这顶殊荣桂冠今后是否会降临到他头上。
由于时间与空间是相关联的，既然我们可以利用光线的折射使得空间某点隐形，那么是不是也可以利用这一性质使得发生在特定时空点上的事件隐形呢？从原理上来说，是完全可能实现的。物理学家称为“时空隐形斗篷”（timespace invisible cloak）。帝国学院的Martin McCall教授解释说，所谓的时空隐形斗篷并不弯曲光线在空间的轨迹，只是利用超越材料来控制光线，制造出暂时的时间空白点来隐藏某个发生的事件。例如可以把探测的光分为波前部分（wavefront part），对其加速使之在事件发生前就行进过去；还有波尾部分（wavetial part），对其减速使之在事件发生后才通过该区域。然后把波前和波尾合并起来，就除掉了“时空隐形斗篷”的痕迹。对于一个远处的观察者来说，在“时空隐形斗篷”时间段内任何存在的事件信息都被“擦”掉了。打个比方来说，如果行人想要在不扰乱交通的情况下穿过十字路口，可以减缓那些尚未通过十字路口的车辆的速度，同时令那些抵达或越过十字路口的车辆加速行驶，这就产生一个时间差，其间行人可以穿过，与此同时，站在路边的人仍能看到车流正常驶过。因此有那么一个瞬间，在不被路人察觉的情况下行人可以穿越十字路口。这种“时空隐形斗篷”可以开辟一个临时的走廊，各种能源、信息和物质可以通过它得以操纵，或者说是在不被检测到的情况之下进行输送。 这种临时走廊可以称之为时间通道，实际上是在一个时间段内，事件还没有被“照亮”，因而未被人检测到。
不妨设想一下在最简单的一维情况下光在时空中的传播，其横坐标是位移x，纵坐标是时间轴ct，c为真空中的光速。当光达到x=0和ct=0附近时，就发生了时空上的弯曲，绕过了原点。换句话说发生在时空原点附近的事件被这个“时空隐形斗篷”隐藏起来了，扭曲了我们所观测到的物理现实。
目前的实验还只能实现一个空间维度加上一个时间维度的“时空隐形斗篷”，未来也许可以实现三维空间加一维事件的“隐形斗篷”。目前的“时空隐形斗篷”只抹去了光所携带的事件信息，当然还可以用其他媒介手段来消除“隐形斗篷”的影响。除了光之外，自然界中还有各种波，例如声波、水波、引力波、地震波等，描写这些波的数学语言都形似。换句话说，光线的“时空隐形斗篷”效应也应当适用于其它各种形式的波。
例如把引力波、中微子等诸多媒介所携带的信息都用相应的手段“消除”掉。实际上，声波的“隐形斗篷”已经在开发，也许未来可以用于抵御海啸。出生摩洛哥的法国流体机械实验室首席科学家Mohamed Farhat教授设计出了可对水中波浪起到隐形效果的器件，在理论上可以让建筑物甚至一个岛屿通过隐形的方式免于巨浪的威胁。
超越材料的应用是多种多样的，包括远程航天航空工程、遥感检测技术、基础设施的安全、智能太阳能电源管理、公众安全、雷达天线罩、高频率的战场通信和高增益天线的镜头、高效超声波传感器，甚至地震的屏蔽结构等。
我校的A教授和他带领的小组从事光子晶体（Photonic Crystal）的开发工作。前不久，他的学生在一个seminar上表示他们利用超越材料制成的一种具有纳米复合结构的磁光子晶体元件，可以使光沿特定路线传播。A教授本人学的是固体物理学，他的小组由从事光电器材、材料科学、理论物理等各个专业领域的成员组成。所以超越材料的研究是一门涉及电气工程、电磁学、固态物理、微波与天线工程、光电工程、经典光学、材料科学、半导体工程以及纳米科学等的跨学科领域。
注释
[1]所谓梯度折射材料（GRIN是gradient index medium的缩写）就是指其折射率不是固定的，而是随着某个方向出现变化的光学材料。按变化方向，可以分为轴向梯度、径向梯度、层状梯度和球梯度等不同类型。
作者：断章师爷 在 驴鸣镇 发贴, 来自 http://www.hjclub.org
上一次由断章师爷于2011-11-21 周一, 下午11:03修改，总共修改了1次 |
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