漫談超材料，從哈利·波特的斗篷說起

馮敏行

少年“隱形斗篷”夢(mèng)

從小就是“哈迷”的我，至今仍不時(shí)回想起《哈利·波特》那跌宕起伏的情節(jié)，也為其間各類奇妙的魔法神器而著迷。其中，哈利的一身隱形斗篷尤其給我留下了深刻的印象——在最危急的關(guān)頭，它總能幫助主人轉(zhuǎn)危為安。兒時(shí)的我也曾幻想能像哈利一樣，擁有一件屬于自己的隱形斗篷。然而，時(shí)光匆匆流逝，這個(gè)“不切實(shí)際”“不符合物理基本規(guī)律”的愿望終究也沒能實(shí)現(xiàn)。

就在幾乎快要忘卻的時(shí)候，幾則振奮人心的科技報(bào)道又重新點(diǎn)燃了我內(nèi)心的希望。報(bào)道稱，目前，科學(xué)家們已經(jīng)制造出了能讓物體“隱形”的材料。原來，早在2006年年初，英國帝國理工學(xué)院的物理學(xué)家約翰·潘德瑞（John Pendry）爵士便預(yù)言：“超材料”薄層能夠讓光線繞過物體，從而使物體隱形。這是在現(xiàn)實(shí)生活中最早關(guān)于隱身斗篷的技術(shù)構(gòu)想。幾個(gè)月之后，美國的戴維·R·史密斯（David R.Smith）教授則展示了這種斗篷的雛形。

那么，這個(gè)能夠?qū)⒖苹眯≌f中虛構(gòu)的事物轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的“超材料”究竟是何方神圣呢？它與中學(xué)課本上的那些電磁學(xué)、光學(xué)物理定律又是否相悖呢？下面，就讓我們來揭開“超材料”的神秘面紗，一起看一看它的前世今生。

超材料的前世今生

雖然超材料的概念直到21世紀(jì)才被提出來，但最早的相關(guān)研究恐怕要追溯到大約半個(gè)世紀(jì)以前了。早在1967年，就已經(jīng)有科學(xué)家對(duì)這類具有超常物理性質(zhì)的材料進(jìn)行過理論上的設(shè)想。

蘇聯(lián)科學(xué)家維克托·韋謝拉戈（Victor Veselago）曾指出，如果有一種材料同時(shí)具有負(fù)的介電常數(shù)和負(fù)的磁導(dǎo)率，那么它將顛覆整個(gè)光學(xué)世界——它能夠使光波看起來如同倒流一般，并且在諸多方面都將表現(xiàn)得有違常理。

但是，在自然界中并不存在這樣的材料——如果存在，我們應(yīng)當(dāng)能夠觀察到許多奇特的物理現(xiàn)象，比如負(fù)的折射率（如圖b所示）、相反的多普勒效應(yīng)，等等。或許是太過于石破天驚，維克托·韋謝拉戈的設(shè)想未能立即引起學(xué)界的重視。數(shù)十年光陰悄然而逝，這一設(shè)想竟然幾近無人問津。

直到20世紀(jì)末，約翰·潘德瑞的研究取得了重大突破，這才讓維克托·韋謝拉戈塵封多年的設(shè)想再度成為人們熱議的焦點(diǎn)。約翰·潘德瑞前瞻性地引入了超材料的概念。他開創(chuàng)性地指出，不應(yīng)當(dāng)只是將材料看作一個(gè)均勻的塊體，而應(yīng)當(dāng)關(guān)注組成它的微小單元。

換言之，材料的電磁特性可以從這些細(xì)小的結(jié)構(gòu)單元中獲得，而這些單元之間的相互作用也可能產(chǎn)生出一些原本不可能出現(xiàn)的效應(yīng)。

從這一思想出發(fā)，約翰·潘德瑞提出了可以兼具負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的結(jié)構(gòu)單元。隨后，戴維·R·史密斯等在此基礎(chǔ)上，首次制造出了在微波波段具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的材料。他們讓一束微波射入銅環(huán)和銅線構(gòu)成的人工介質(zhì)，使得微波以負(fù)角度偏轉(zhuǎn)。

由于電磁波在這種材料內(nèi)部進(jìn)行傳播時(shí)，波矢k、電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H之間符合左手定律，因此這種材料也被稱為左手材料或負(fù)群速度材料。可以說，超材料的問世在物理學(xué)史上具有里程碑式的意義。超材料，連同具有負(fù)折射率的左手材料一起，備受世人矚目。

2003年與2006年，美國著名期刊《科學(xué)》兩度將“左手材料”的相關(guān)研究列為當(dāng)年的“十大科學(xué)進(jìn)展”。就這樣，隨著科技的進(jìn)步，昔日只能出現(xiàn)在科幻世界里的“隱形斗篷”，如今不再是那樣的“不切實(shí)際”。

光子晶體的誕生

若和命運(yùn)坎坷的左手材料相比，另一種超材料——光子晶體的誕生則顯得一帆風(fēng)順。

1987年，兩位美國科學(xué)家從不同的角度出發(fā)，各自獨(dú)立地提出了光子晶體的概念——一類在光的波長(zhǎng)尺度上具有周期介電結(jié)構(gòu)的材料。這項(xiàng)研究拓展了我們對(duì)傳統(tǒng)材料的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也昭示了光子技術(shù)廣闊的應(yīng)用前景。

這兩位科學(xué)家的工作很快受到了廣泛的關(guān)注，并因此而掀起了研究光子晶體的熱潮。真是無獨(dú)有偶，在20世紀(jì)末，關(guān)于光子晶體的研究也同樣被《科學(xué)》兩度列為當(dāng)年的“十大科學(xué)進(jìn)展”。該雜志于2006年還進(jìn)一步將光子晶體列為未來自然科學(xué)的熱點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域。

超材料，前途無可限量

迄今發(fā)展出的超材料包括左手材料、光子晶體、超磁性材料等。不同種類的超材料在各自的領(lǐng)域中都可謂大放異彩。

這里，我們選擇性地介紹兩種最具代表性的、也最為人所熟知的超材料——左手材料與光子晶體。

左手材料

如上所述，左手材料是指一類介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都同時(shí)為負(fù)值的材料。它們具有負(fù)的相速度、負(fù)的折射率、理想成像、逆多普勒頻移、反常切倫科夫輻射等物理性質(zhì)。

利用這些反常的特性，可以實(shí)現(xiàn)諸多奇妙的功能。例如，我們可以利用左手材料制作出具有超高分辨率的、不會(huì)丟失信息并將所有能量完全復(fù)制到成像點(diǎn)的理想透鏡，可以用作天線覆層以提高天線的定向性、確保通信的保密性與高效性，可以制作微波部件（如濾波器等）以顯著減小部件的體積，可以控制電磁波傳播方向、阻止信號(hào)向人腦方向傳播從而避免手機(jī)輻射對(duì)人體造成的傷害，等等。

利用左手材料以及與之相關(guān)的超材料，還可以讓電磁波以特定的路徑繞過其包裹的物體，從而達(dá)到使該物體“隱身”的效果，這正是電磁隱身衣與光學(xué)隱身衣的實(shí)現(xiàn)途徑（如圖c所示）。

?具備人工特殊結(jié)構(gòu)的“超材料”

?a.普通的水?b.負(fù)折射率的液體

不難想見，左手材料的價(jià)值是無可限量的，將會(huì)在軍事、通信、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

光子晶體

在當(dāng)代信息業(yè)中，有一個(gè)大夢(mèng)想，即是用光子代替電子傳遞信息。光子具備電子所不具備的優(yōu)勢(shì)。

用光子代替電子做載體，不僅可以提高傳輸速率，還可以提高信息的攜帶量。更重要的是，光子之間的相互作用明顯弱于電子間的相互作用，因而光子通信可極大降低傳輸過程中的能量損耗。

?超材料的問世使人類的“隱形夢(mèng)”曙光初現(xiàn)

?神奇的左手材料與隱身衣

值得一提的是，雖然光纖的使用已經(jīng)讓我們邁出了可喜的第一步，但是由于在信息輸入、輸出方面，光纖仍需依靠傳統(tǒng)的電子器件，這使得傳輸效率還是沒有得到太大的提高。光子晶體（如圖d所示）的出現(xiàn)極有可能改變這一現(xiàn)狀。可以預(yù)見，在不久的將來，光子晶體在改變通信領(lǐng)域的同時(shí)，還會(huì)對(duì)其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生巨大影響。

超材料，物理學(xué)新視界

如今對(duì)超材料的研究可謂是如火如荼，這不僅是因?yàn)樗軐?duì)人們的生活以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，而且是因?yàn)樗峁┝艘环N全新的思維方式，讓我們得以重新審視這個(gè)早已司空見慣了的物理體系。

超材料的出現(xiàn)并沒有違背物理學(xué)中的基本規(guī)律，然而，經(jīng)過設(shè)計(jì)的精細(xì)構(gòu)造卻賦予了它超常的物理特性。這無疑是人類智慧的結(jié)晶。

人類文明的發(fā)展水平，在很大程度上取決于該文明所處的時(shí)期，人們對(duì)材料的使用狀況。或許如同歷史上的石器時(shí)代、青銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代、塑料時(shí)代等一樣，我們正在試圖開啟一個(gè)以超材料為代表的材料新紀(jì)元，也未可知。

?左手材料未來將在通信、航空等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用

盡管目前超材料的應(yīng)用大都還只停留在理論階段或者僅僅是一個(gè)雛形，但我相信，在未來的某一天，我將真正擁有一件屬于自己的隱形斗篷，而不必只是將它當(dāng)作一個(gè)美麗的幻想。

超材料，便將是我們通往夢(mèng)想的一把最真實(shí)的鑰匙。

?d. 光子晶體

?未來，一個(gè)線路板中將有數(shù)千個(gè)電子超材料元件

據(jù)美國市場(chǎng)研究公司（ABI Research）調(diào)研預(yù)測(cè)：2010-2020年間，超材料這一細(xì)分領(lǐng)域的市場(chǎng)規(guī)模將以41%的年復(fù)合增長(zhǎng)率發(fā)展，2020年，其市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到8.77億美元。如此可見，超材料的應(yīng)用及市場(chǎng)前景非常壯闊。