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制造“微波黑洞”

如果研制出能夠適應(yīng)多種光照條件和氣候條件的“光學(xué)黑洞”外殼，就可以大大提高太陽能電池的使用壽命，增加其經(jīng)濟(jì)價(jià)值

李劍龍

“黑洞”大概是近代物理學(xué)中最具傳奇色彩的研究對(duì)象，它引力強(qiáng)大、行為怪異，一旦落入其中，就連光都別想逃出來。它看起來就像是一個(gè)純理論的怪胎，跟我們的實(shí)際生活毫無關(guān)系。

去年10月，東南大學(xué)的兩位科學(xué)家崔鐵軍和程強(qiáng)，利用曾被用來制作“隱身斗篷”的超材料(metamaterial)，制造了人類歷史上第一個(gè)“光學(xué)黑洞”——“微波黑洞”。從此，“黑洞”不再只是遙不可及的狂想和理論。不過，和傳統(tǒng)意義上的黑洞不同，“微波黑洞”并不產(chǎn)生超強(qiáng)引力場(chǎng)，而且它喜歡的“食物”只有微波。

和光一樣，微波也是一種電磁波。它的波長在幾毫米到幾分米之間，是可見光波長的數(shù)萬倍，而傳播的速度和光速一樣。由于不同介質(zhì)對(duì)電磁場(chǎng)的“敏感度” (介電常數(shù))不同，其中的光速也不同。例如，水中的光速大約是真空中的75%，而鉆石中的光速只有真空的41%左右。這進(jìn)一步導(dǎo)致了生活中最常見的折射現(xiàn)象，就好像汽車行駛時(shí)，齊頭并進(jìn)的兩個(gè)前輪，其中一個(gè)輪子駛?cè)肷车赝蝗粶p速，而另一個(gè)輪子保持速度不變，汽車必然會(huì)轉(zhuǎn)向沙地的方向;同樣，一組齊頭并進(jìn)的光波的波陣面，以一定角度從一種介質(zhì)(如空氣)向另一種介質(zhì)(如水)傳播時(shí)，也會(huì)由于光速突然變化(降低)而改變傳播的方向。

去年年初，美國普渡大學(xué)的物理學(xué)家提出，如果能為光波量身定做一種介質(zhì)，使得光波進(jìn)入之后像在黑洞附近那樣不斷地轉(zhuǎn)向而又無法逃脫，我們就可能制造出第一個(gè)“光學(xué)黑洞”。理論上，人們需要一種不均勻的柱形光學(xué)介質(zhì)，它有一個(gè)外殼和一個(gè)內(nèi)核。如果外殼中的介電常數(shù)像引力場(chǎng)一樣，隨著半徑的增加而平方反比地衰減，那么任何從水平方向射入的光波，都會(huì)隨著介電常數(shù)的變化而乖乖地折射。每前進(jìn)一段距離就發(fā)生一次折射，光波就像在黑洞附近的行為一樣，最終螺旋著進(jìn)入核心，再也無法逃脫出來。

自然界中并不存在這樣的不均勻介質(zhì)，通常認(rèn)為，制造它需要鍍膜、摻雜等復(fù)雜的材料工藝。而超材料的出現(xiàn)，大大簡(jiǎn)化了這個(gè)過程。超材料的特性并非來自于其中的微觀單元的內(nèi)在屬性，而是比原子尺度大得多的宏觀結(jié)構(gòu)。這和晶體管一個(gè)道理:晶體管只是會(huì)放大輸入端的電流，它形成集成電路這樣的特殊結(jié)構(gòu)時(shí)，就能夠成為一臺(tái)計(jì)算機(jī)。近幾年炒得沸沸揚(yáng)揚(yáng)的“隱身衣”，就是利用了一種超材料。

為了制造“光學(xué)黑洞”的外殼，科學(xué)家借助于一種“I”型結(jié)構(gòu)超材料——它的形狀像大寫的英文字母“I”。當(dāng)其大小跟微波波長相當(dāng)(毫米級(jí)別)時(shí)，它的有效介電常數(shù)也會(huì)隨著尺寸的變大而相應(yīng)變大。這個(gè)有效介電常數(shù)只對(duì)微波有效，所以人們能夠得到的是 “微波黑洞”?？茖W(xué)家把這個(gè)“微波黑洞”分為60層，里面20層是一種吸收微波的超材料，外面40層就是“I”型結(jié)構(gòu)組成的同心圓外殼。為了讓介電常數(shù)滿足平方反比定律，每一層“I”型結(jié)構(gòu)的尺寸，也必須隨著半徑的不同而進(jìn)行精確地調(diào)整，這樣微波才會(huì)乖乖地鉆入“微波黑洞”之內(nèi)。

對(duì)于波長是微波萬分之幾的可見光來說，這個(gè)用于囚禁微波的牢籠過于龐大。如果要制造吸收可見光的“光學(xué)黑洞”，就必須借助適用于可見光的(超)材料，并將其尺寸控制在納米級(jí)別。如果這樣的“光學(xué)黑洞”研制成功，也許會(huì)為太陽能利用提供新的思路——據(jù)業(yè)內(nèi)人士預(yù)計(jì)，如果研制出能夠適應(yīng)多種光照條件和氣候條件的“光學(xué)黑洞”外殼，就可把太陽能電池的發(fā)電部分從室外搬到室內(nèi)，從而大大提高其使用壽命，增加其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。同時(shí)，發(fā)電裝置的集中，意味著無用熱能也更加集中，我們可以更有效地利用發(fā)電時(shí)剩余的熱能。

(韓見對(duì)本文亦有貢獻(xiàn))