探秘超材料的奇异世界 科学家用来制作隐身衣

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从金和硅中蚀刻出来的元件使得超材料结构可以迅速改变其传播和反射光的能力。图片来源：《自然》

拥有奇异光学特质的工程学结构已经走出实验室，开始进入市场。

如果物理学家Tom Driscoll没有再次听到“哈利·波特的隐身衣”这样的形容，他将十分开心。但他知道这无法避免。舆论界在报道超材料的最新进展时，并没有抵制使用这个词。这些新材料是能弯曲、分散、传输，或以某些方式塑造电磁辐射的一系列极小“元素”。

的确，超材料大体上能围绕物体传送光，并使得它们不可见。还有一些超材料研究人员正试着制作一件真正的隐身衣，尤其是因为军队急切地资助研发此类功能材料。

不过，这样的应用得以实现，还将需要数十年的时间。技术的商业转化对Driscoll来说更有吸引力。

Driscoll在美国一个专利聚合公司——高智发明公司中负责监管超材料商业化。他表示，成本更低的通讯卫星、更薄的智能手机和超快光学数据处理等应用是“超材料准备大显身手的领域”。

研究人员仍面临一些严峻的挑战，他补充道，尤其是寻找能在纳米尺度上制造和操纵超材料元素的便宜方法。但是首个超材料产品预计能在1年左右上市销售。Driscoll希望，在那之后不久，普通消费者也能够开始享受这种福利，例如在飞机上享受到更快更便宜的网络连接等。

首个超材料的实验室演示由美国加州大学圣迭戈分校物理学家David Smith及其同事于2000年公布。在上世纪90年代英国帝国理工学院的John Pendry完成理论研究后，这些研究人员表示，一排微小铜线和金属环对微波有负的折射率。超材料引发人们极大兴趣的一部分原因就是这种弯曲辐射的能力，即制造隐身衣的潜能。

从那以来，Smith等人探索了对超材料的各种想法。他们还超越了静态阵列，设计了技术改变元素排列的方式。结果产生的材料能从不透明变为透明，或者从红色变为蓝色。

市场动态

今年1月，现就职于北卡罗来纳州杜克大学的Smith开始兼任高智发明公司超材料商业化主管。“我认为，当时恰合时宜，并且对于其中一些东西，我们不需要作更多的科学研究。”他说。

一个相关测试案例可能在明年就可开始。高智发明公司在华盛顿雷德蒙的分公司希望上市一种紧凑型天线，这将是第一款消费者导向的超材料产品。这个相对便宜的设备将能为飞机、火车、船舶、汽车以及其他远离移动网络的平台提供宽频的卫星通讯。

在天线的中心——细节仍是机密——是一个扁平的线路板，包含数千个电子超材料元件，通过装置内部软件的控制，每个元件的性能可以瞬间改变。这允许天线追踪穿过整个天空的卫星，而不用维持特定的朝向。软件能不断地调整每个超材料元件的电学特性，而天线仍然保持静止。

Smith表示，该技术比碗型天线等替代性选择更加紧密。“它节省了成本、重量和能耗。”该公司已经为投资者和潜在开发伙伴示范了相关技术。

但是，Smith提醒，该公司尚未对新天线进行定价，在严格维持新天线性能标准的同时，还需要降低成本。

关于新天线的一些细节，研究人员则表示很难予以评估。但Smith高度重视这一领域。一旦该公司将这一产品投放市场，它可能首先为私人飞机和客机提供天线。如果买主反响良好，该公司希望将该技术合并入其他生产线。

聚焦平面

尽管存在不少困难，但光学超材料的可行设计开始出现。3月，英国南安普顿大学物理学家Nikolay Zheludev领衔的研究小组发表了自己的研究，Zheludev还在新加坡南洋理工大学指导一个聚焦超材料的研究中心。该研究小组的设计能够通过纳米级手段，极大改变其传送或反射光波长的能力。将来它有望成为高速纤维光学通信网络的开关。

同时，因为制作以及在光学尺度上控制三维超材料阵列十分困难，一些研究人员将目光投向了二维的“超表面”。

2012年8月，美国哈佛大学的Federico Capasso及其同事设计出一种平的超材料镜头，它能将红外光聚焦到一个点上，几乎与玻璃镜头一样。“我不想说这是绝对新颖的。”Capasso说，“但我相信我们是第一个如此明确地将平面光学器件植入商业应用的团队。”

一个传统镜头依赖折射使光变弯曲，从而聚焦到一个点上。Capasso的镜头使光通过一个金的超材料二维阵列，这些超材料是使用光刻技术电子束从一个60纳米厚的硅片上蚀刻出来的。金元件被固定，因此装配后也不能调整。但是，在制造过程中，通过选定特殊的形状和间隔，物理学家能将选定波长的光以精确的正确方式到达一个焦点。

Capasso警告称，这种平面镜头的商业化历程或许仍需要10多年。部分原因是由于硅是一种坚硬易碎的基质，研究人员考虑使用更强健灵活的替代品，使其可以更容易在生产线上操作。他们也在寻找更好的方式，控制纳米元件的蚀刻，这些工作需要非常精确。

但是，Capasso表示，一旦相关技术被掌握，一个显著的应用是在智能手机内置相机中。当然，这种平面镜头仍然会受到光衍射的限制。不过超材料提供了一种制造“超级透镜”的方式，或能超越这些限制。

早在2005年，加州大学伯克利分校物理学家Xiang Zhang及其同事就演示了一个早期的超级透镜概念。该研究小组制造了一种简单的超材料，包含35纳米厚的银层，位于铬和塑料纳米级夹层中间。

可逆焦点

通过将传统光学与基于超材料的超级透镜等相匹配，Zhang希望能最终实现远远超出显微镜学领域的应用。正如那些能够放大次波长细节的构建一样，它们也可以逆向运行，引导光束进入次波长焦点——该性能可能会对使用光刻技术制造极小结构有革命性的重要作用。

如果超级透镜能被利用，超细光束将能被用于蚀刻现在还无法达到的更小结构。这将极大增加光驱的数据储存密度。

Smith对此十分谨慎，他指出，与其他目前开发的相关先进技术相比，超级透镜趋向驱散更多光能。他说，这使得它们是“引人注目的科学，但尚未被应用于任何产品中”。不过，他补充道，Zhang的努力是“英雄般的试验，从根本上证明了超材料的潜力”。

Zhang也承认超级透镜等尚未准备就绪，但是他相信，在未来几年里，正在进行的研究有足够的空间改变这一现状。他说：“经济影响可能十分巨大，我对超材料、超级透镜和光刻技术革命，保持谨慎的乐观。”