隱身斗篷里的“超構乾坤”

張興華

我們是如何看到物體的？

要想知道隱身斗篷是如何隱身的，就要先了解人們是如何看到物體的。

光是在空間中傳播的一種電磁波。不同顏色的光對應不同波長的電磁波，人眼能夠看到的電磁波稱為可見光，也就是波長范圍很窄的一段電磁波。電磁波還包括其他波長不同的不可見光線，包括微波、紅外線、紫外線、X 射線和伽馬射線。

我們看到物體主要是因為光在物體的表面上發生反射，人眼看到了反射光線，從而意識到這里有一個物體。

如果能夠調控物體的反射光，使得觀察者不能接收到反射光，那么對于觀察者而言，這個物體就是隱身的。在很多場景下，人們是從固定的角度來觀察物體，如果物體的反射光與其環境有很大差別的時候，人們能夠通過反射光判斷物體的形狀和大小;當降低物體反射光與環境的反射光之間的差別，該物體就能實現隱身。

例如，光線照在魚身上后，會產生反射，這些反射波傳到我們的眼睛，就形成了我們所看見的小魚的模樣。既然如此，如果我們能控制光線從小魚身邊繞過去，那么就沒有光的反射，小魚也就會“看起來”消失不見！

超構材料如何實現隱身魔法？

在過去，研究者用攝像機加上顯示屏來制造隱身斗篷，但它只能對某個方向隱身，而且需要耗費許多能量，導致實用性低。

超構材料的發明使得隱身斗篷得以實現。當我們把介質里很微小的人工結構進行有序排列后，就可以改變介質的宏觀性質。這些經過人工排序的微結構組成的介質，就叫作超構材料。

那么，超構材料是如何實現隱身的呢？辦法是在材料表面制備納米尺度的金屬天線。在有光照時，光能與金屬的表面電磁波發生共振，這些耦合的表面波和電荷的振蕩也被稱為表面等離激元。這種振蕩會造成入射光相位的急劇跳變，不同尺寸的天線實現對應不同相位的跳變，因而通過設計不同形狀的天線在空間中的排布可以改變光線的路徑，阻止光發生反射，從而達到隱身的效果。

給我一點超構材料還你一件隱身斗篷

由于隱身斗篷所需的結構極其復雜，早期的研究主要是針對微波的隱身。隨著超構材料的出現，在可見光波段使用的隱身斗篷終于被設計制造出來。

被稱為光學孤立斗篷的隱身斗篷可以在三維空間中將物體隱身起來。光學孤立斗篷可以將進入其中的電磁波偏轉，引導光繞過需要被隱藏的區域，并讓電磁波在離開斗篷區域的時候回到它們入射時候的取向，就好像沒有任何反射發生過一樣，讓人們在任何角度觀察這個區域的時候都看不到反射光。

超構材料可以制作出傳統光學器件不能實現的神奇光學特性，比如負折射率結構。這種結構可以將發散的光線在空中匯聚起來，不需要介質承載就可以在空氣成像。結合空間定位等交互控制技術，可實現人與空氣中的影像直接交互。這樣的技術已經應用到了醫院無接觸式自助掛號機以及地鐵自助售票終端上。患者或乘客看到懸浮在空氣中的屏幕顯示畫面，通過直接在空氣中點擊，就能完成掛號或購票，而不需要觸摸儀器。

超構材料的研究是一門前沿、實用的科學，它正朝著更薄、更輕、更廣泛的方向發展。過去，隱身還是人類遙不可及的夢想，如今，夢想已逐漸變成了現實。人類對未來的暢想，真是推動科學進步的一股動力！