隱形斗篷

我來自新加坡南洋理工大學(xué)，今天在這里給大家談?wù)勱P(guān)于隱形斗篷和轉(zhuǎn)換光學(xué)（Transformation Optics）的話題。先給大家介紹一下我自己，我在清華大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，當(dāng)時我所研究的對象頻率是非常低的。后來我在麻省理工學(xué)院獲得了博士學(xué)位，2009年畢業(yè)以后到了SMART中心。這是麻省理工和新加坡的聯(lián)合研究中心，也是MIT的第一個海外研究中心。在這里我研究的是光學(xué)，研究領(lǐng)域改變了，但遵循的規(guī)律都是同一個麥克斯韋方程。

有的無線路由器在電路板周圍內(nèi)置了若干天線，2008年以后這些天線變得越來越小了，這樣的技術(shù)就利用了我們轉(zhuǎn)換光學(xué)中的原理。LG公司很快購買了這種技術(shù)，并用在了他們的Chocolate bl40手機(jī)里面。大家應(yīng)該記得在2010年，iPhone4出現(xiàn)了一些天線的問題，要把天線占據(jù)的空間縮小并不是一個簡單的事情。

我們來看一下這個例子，轉(zhuǎn)換光學(xué)可以有多種應(yīng)用，如果我們可以壓縮其極限做出隱身斗篷，也可以擴(kuò)展其極限用于高清成像。

轉(zhuǎn)換光學(xué)的思路跟傳統(tǒng)方法是不同的，傳統(tǒng)上首先我們拿到材料，再考慮它可以做什么。比如說我們發(fā)現(xiàn)玻璃可以聚光，就用玻璃做鏡頭。再比如說我們先研究光子晶體，之后的是需要什么，然后再考慮哪一種材料是我需要的，能夠幫我?guī)磉@種功能。問題是我們怎么樣從功能出發(fā)尋找材料呢？

我們可以看看空間里面的光線變化，假設(shè)空間本身是彈性的，如果我們把空間扭曲了，其中的光線就也會彎折，因?yàn)檎麄€空間已經(jīng)是彎曲的了。如果我們發(fā)現(xiàn)這個空間曲折的方式跟某一種材料的不均勻結(jié)構(gòu)特征是一致的，所以我可以同樣的有這種結(jié)構(gòu)的材料，來實(shí)現(xiàn)我想要的空間扭曲。這就是我剛才講的從功能到材料的反向設(shè)計(jì)考慮制造光子晶體的光纖。而轉(zhuǎn)換光學(xué)的過程是相反的，我們首先要考慮的功能，首先要想過程。而我要做的事情就是把這種方法和傳統(tǒng)的從材料到功能的設(shè)計(jì)過程結(jié)合起來，因?yàn)檫@種反向的設(shè)計(jì)盡管理念是很好的，但是有的時候還不夠。我們在考慮到了想要的功能之后，我們重新考慮一下我們手頭上的材料，再從材料考慮功能，形成一個環(huán)路，最后帶來一個簡單的解決方案。

至于什么是隱形，光照射在物體上會發(fā)生反射，物體后面會形成陰影，我們可以看到物體，是因?yàn)榭吹搅朔垂饣蚴强吹搅擞白印４蠹椰F(xiàn)在已經(jīng)知道如何消除反射光，比如說用一些吸光的材料，這樣就可以避免物體反光。但是后面的陰影怎么辦呢？你能夠看到陰影就意味著還是可以看到物體。但如果我們可以引導(dǎo)光從物體周圍繞過去，就可以把陰影也消除掉。有些人已經(jīng)根據(jù)這個設(shè)想設(shè)計(jì)了材料，但只有在單一波長上才可以，因此是沒有直接的用處的。

為什么要做到這點(diǎn)很難呢？這需要材料具有兩個方面的性質(zhì)，各向異性或非均勻性。

改變電磁場的空間位置基本就可消除陰影。我們做了很多試驗(yàn)證實(shí)這個理論，但是借助材料的非均勻性扭曲電磁場的方法只適合較小的物體。要是想要大一些物體實(shí)現(xiàn)隱身怎么辦呢？我們可以轉(zhuǎn)而求助于材料的各向異性來扭曲電磁場，使得物體下面的空間如同壓縮了一樣。如照片中展示的，我們可以看到粉紅色的物體實(shí)際是一個紙卷，放在這個小臺子上。然后我用了兩塊具有各向異性的材料模擬空間的扭曲，就把模擬的扭曲空間放在紙卷的中間，可以看到這個紙卷中間的陰影也被消除了，這一段紙卷基本上隱形了，這就是一個微型的隱形斗篷的概念。這個方法的成本非常低，非常地簡單，可以在家里做這樣的試驗(yàn)，也適用于更大的物體。

基于這個原理我們可以開發(fā)許多實(shí)際的應(yīng)用，比如說改進(jìn)表面離子體波導(dǎo)，減少波在拐角處的散射損失，從而令信號轉(zhuǎn)換速度可以變得非常地快。

QA

嘉賓主持賈森·龐廷（Jason Pontin）：為什么您展示的實(shí)驗(yàn)需要在激光油中進(jìn)行的。

張柏樂：在激光油中光線的速度更慢，隱身的效果會更理想。最近我們有了一些進(jìn)展，希望能夠脫離激光油，在空氣和水中實(shí)現(xiàn)隱身。

賈森·龐廷：這是一個非常有趣的研究，您如何進(jìn)行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化和推進(jìn)在商業(yè)的應(yīng)用呢？

張柏樂：現(xiàn)在軍方很感興趣，而且我們也在考慮其他的一些民用的應(yīng)用。比如說，可以應(yīng)用到一些更小型的迷你電子設(shè)備當(dāng)中。因?yàn)楸砻骐x子的一些應(yīng)用以前出現(xiàn)很多的問題，經(jīng)常會出現(xiàn)一些比如說光線的或是信號的損失問題，現(xiàn)在用了新的技術(shù)的話，有可能制造出更快速度的計(jì)算機(jī)芯片。

賈森·龐廷：就目前而言，例門想把技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的最大挑戰(zhàn)是什么呢？資金肯定是一個方面。

張柏樂：是的，現(xiàn)在資金問題是一個方面，從我的角度來講，我希望把技術(shù)更向前帶一步，目前我的研究課題就是能夠讓更大的物體通過這個技術(shù)進(jìn)行隱形。比如說還有另外就是脫離激光油，在其他媒介（空氣、水）里面實(shí)現(xiàn)更大物體的隱形。

現(xiàn)場聽眾：請問如果您這個隱形材料技術(shù)推進(jìn)到你現(xiàn)在的領(lǐng)域所能預(yù)見到的某種極限，我們能否依然通過，比如說它放出來的熱量，或是周圍的空氣流動探測出物體的存在呢？現(xiàn)在我們實(shí)現(xiàn)了的只是隱形的外殼，只是在電磁波方面的屏蔽是嗎？

張柏樂：是這樣的，沒有什么東西是完美的。即便是電影里面的隱身技術(shù)都是可以有辦法探測到的。

現(xiàn)場聽眾：謝謝。