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隐形术揭秘:来自主流科学界的不断探索

2010-04-26 09:27:58

来源:网易探索

  彭德利在《自然》7月30日的一个采访中清除地解释了这个概念: “设想一个我们正在谈论的光学系统……被嵌在一个橡胶介质中。然后我们拉伸这块橡胶,所有的光还是会经过这块橡胶……直到所有的光线都在按所希望的方向传播为止。”换句话说就是“拉伸这块橡胶”同样是在描述新制的隐形物料的性质必然要怎样改变——它每一个点上的折射率必须被怎样处理——才能允许麦克斯韦方程组如期发挥作用和驱使光绕过隐藏的地方。举例来说,我们假设一个光无论如何都会绕过的球体橡皮,假设一条直线L穿过橡皮的中线点,光线沿L到达橡皮,然后绕过去,有重新回到L继续前进。当橡皮变形的时候,光线可能就不会回到L上了,我们要通过不断的调整,使橡皮变成一个体积为原来两倍的球,而光线还是会回到L上。这时我们把物体A放到球里面,物体A就被球体隐藏起来了。具体要怎样调整才能达到效果则需要用到麦克斯韦方程组来计算,运用方程组的其中一个条件就是要知道物料的折射率。

  正因为这个原因,关于隐形技术的论文常常会散落着符号ε和μ。这些是希腊字母,分别代表一种材料的介电常数(electrical permittivity)和磁导率(magnetic permeability)。这些数值描述了一个物质对于电磁辐射中振动的电场和磁场是怎样反应的。改变这写数值可使光减慢、加快,从而发生折射或者转向。(当光的一部分变得比其他部分慢的时候,波前会突然转向。)当其他特征在决定一种材料有多透明时需要基于一个给定的波长时,介电常数和磁导率在所有波长下的特性都是一样的。它们是组成折射率的一部分。

  而超颖材料比起自然物质而言,折射率要容易被改变得多(甚至可以去到一个负折射率的点,使得光线转向超过一半而原路返回)。所以超颖材料就是科学家要找的那种材料。

  不像自然界提供的原子和分子(它们介电常数和磁导率的组合是有限的),新颖的超颖材料可以混合和配置介电常数和磁导率,精确地改变基本的折射率,使得光线可以在隐形物料构成的空间里面转呀转的,遵守法则的同时又不会变成直线传播。

  经过的光波长越短,结合光学行为生产出来的超颖材料就要做的越薄。所以当你看到第一个可用的隐形物料直径只有一张CD的那么长,但厚度要比CD薄得多时就不会感到奇怪了,而且这种隐形物料只对微波有效,这种微波的波长在空气中大约是1英寸。这个装置有杜克的史密斯团队在2006年制造,有一条很显然的天线一样的铜丝嵌在一套玻璃纤维材质的同心环中。

  该年年初,张在伯利克的研究室使红外线绕过了隐藏区域,这种光波的波长要短的多。毕业生瓦伦丁和他的同事们使用一束聚焦的离子束在硅基半导体上打上以各种方式排列的孔洞,以其制造一种平面隐形材料。无独有偶,在康奈尔,利普森的团队在硅片上精确地排列了密密麻麻的小钉子,以此改变介电常数,使得红外线照在上面的时候像照在镜面上一样反射了,而没有留意到罩在下面的方块。红外线反射的状态就如照在平面上的时候那样——方块和其他在下面东西被隐藏起来了。

  瓦伦丁谈到那个平面隐形材料的时候说:“效果并不理想,起码现在是这样,”首先,它只在二维平面有用;其次,它有一种特殊却没什么用的几何特性,使得研究者只能改变它的介电常数,于是就得用那些磁导性差但有利于电场的普通材料。孔洞和钉子和容易就能改变一种材料的毛密度,从而改变电学反应。“但是它有效,所以这是个开始。”隐形材料在平面上对红外线范围内的波长有效果,从1400纳米到1800纳米之间。这个方案在可见光就没用了,波长范围在400到700纳米。至少没有研究者明确地知道制造方法。至于比这波长更短的——从紫外线到X光,甚至更低的——现阶段还纯粹是科幻的内容。

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