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你也可以当“巫师” 科学家玩转隐形技术

发布时间:2016-09-04 22:36

     

  在英国作家J·K·罗琳脍炙人口的小说《哈利·波特与魔法石》中,年轻巫师哈利收到了一件斗篷,一件穿上后可以让人们看不到他的隐身斗篷。现在,在隐形斗篷这个方兴未艾的研究领域,研究人员也制作出了一件超薄的斗篷。这件斗篷不是通过魔法发挥作用,而是利用反射光让一个物体隐形。而且它也不能帮助哈利隐身,因为它仅能隐藏体积仅有几微米的物体。但研究人员表示,这一成果有望在未来进一步隐藏体积更大的物体。

  “这件斗篷非常薄,它绝对称得上是人们想象中的斗篷。”英国伦敦帝国理工学院理论学家John Pendry说,他在2006年曾提出首个隐形斗篷的科学理论,相关成果发表于《科学》杂志。和它们隐藏的对象相比,这些斗篷更大一些——“可以说它们不像哈利的斗篷,倒是更像哈利的小屋。”Pendry说道。提出这种新式斗篷的美国得克萨斯州立大学电子工程学家Andrea Alú表示:“这是一项极棒的研究成果。”

  最初的隐形斗篷可以非常顺利地让一个物体周围的光或是较长波长的电磁波成为漏斗形,从而使其隐形。第一个隐形斗篷仅能在一个波段中发挥作用,它是个可以在物体内部引导光线的环状物,即由位于一个平面上的棱柱状物体构成的一个波段较宽的“地毯式斗篷”。

  然而,这种斗篷存在限制,它们由超级材料(由波长小于电磁波的线框集合而成,可以像具有可调节光学特性的连续相材料那样协同工作)制作而成。为了顺利地让光成为漏斗形,超材料的外壳厚度必须比放射物的波长更大。

  为了让一个物体周围的光呈漏斗形,加州大学伯克利分校应用物理学家张翔(音译)和团队改变了一个物体上弹开的光波,从而清除了这些光波的痕迹——否则它们就会留在该物体的波段中。和上面的地毯式斗篷一样,该物体也位于一个表面上。

  通常,当光线是直线时,即便是间隔的光波也会穿透该物体,这些光线然后会被打乱,并向各个方向散射,从而使该物体变得可视化。新隐形斗篷会对光的扭曲现象作出“回击”,从而让反射的光波保持直线,就像是被潜在表面所反射那样。

  为了实现这一目标,研究人员利用一种“超级表面”——透明绝缘体的一种紧身层,上面镶嵌着各种不同大小的矩形金片,这种表面通常厚度不足1微米。每个金片都会吸收光,并像一个小天线那样让光再次辐射。由于其具有多个维度,每块金片都能够改变那些向外散发的光波的波动。因为这些“天线”有的略大有的略小,不能响应入射光或是与其产生“共振”,就会形成这样的移相(或称相位偏移)。通过调节天线的大小或移相,研究人员使这些光一致向一个方向散射,从而产生未被扭曲的波前(峰)。

  为了证明这种“紧身斗篷”可以起作用,研究人员制作了一件隐身斗篷,该斗篷可以隐藏数微米宽、1微米高的任意隆起物。该斗篷厚度为80纳米——是实验室所用的红光波长的1/9。

  尽管如此,这件紧身斗篷也有限制,天线的排列方式必须精确地与其下方的物体相一致。因此,你可以想象穿着这件新斗篷的样子,张翔说:“但是穿上之后你就不能走动,不能工作了。”而且,这件斗篷也只能在有限的波长范围内发挥作用,尽管张翔表示其覆盖面足以容纳绝大多数可见光光谱。

  更重要的是,被该斗篷隐藏的物体不能过于锐化或比光波波长大,意大利特伦托大学物理学家、超表面科学家先驱Zeno Gaburro说。否则,它们就会产生超表面不能去除的投影。“黑色的一面不能见到光,因此用这种技术不能纠正(阴影)。” Gaburro说。但张翔对按比例放大这件隐身衣非常乐观。“我觉得没什么障碍。”他说。

  无论如何,研究人员表示,这篇论文标志着该领域一次重要的技术飞跃。“它确实证明了超表面概念的强大。”Alú说。Pendry表示这种表面将会很快找到用武之地。例如,它可以用超表面掩盖一架用于雷达探索目的的战斗机——不是让其隐形,而是让其看起来像一架货运飞机。“它可以轻而易举地让一个物体看起来像另一个物体。”他说,“单是这个特点已经足够棒了!”





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