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

從小就是“哈迷”的我，至今仍不時回想起《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——在最危急的關頭，它總能幫助主人轉(zhuǎn)危為安。兒時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，時光匆匆流逝，這個“不切實際”“不符合物理基本規(guī)律”的愿望終究也沒能實現(xiàn)。

就在幾乎快要忘卻的時候，幾則振奮人心的科技報道又重新點燃了我內(nèi)心的希望。報道稱，目前，科學家們已經(jīng)制造出了能讓物體“隱形”的材料。原來，早在2006年年初，英國帝國理工學院的物理學家約翰·潘德瑞（John Pendry）爵士便預言：“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)實生活中最早關于隱身斗篷的技術構(gòu)想。幾個月之后，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，這個能夠?qū)⒖苹眯≌f中虛構(gòu)的事物轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實的“超材料”究竟是何方神圣呢？它與中學課本上的那些電磁學、光學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世紀才被提出來，但最早的相關研究恐怕要追溯到大約半個世紀以前了。早在1967年，就已經(jīng)有科學家對這類具有超常物理性質(zhì)的材料進行過理論上的設想。

蘇聯(lián)科學家維克托·韋謝拉戈（Victor Veselago）曾指出，如果有一種材料同時具有負的介電常數(shù)和負的磁導率，那么它將顛覆整個光學世界——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，我們應當能夠觀察到許多奇特的物理現(xiàn)象，比如負的折射率（如圖b所示）、相反的多普勒效應，等等?；蛟S是太過于石破天驚，維克托·韋謝拉戈的設想未能立即引起學界的重視。數(shù)十年光陰悄然而逝，這一設想竟然幾近無人問津。

直到20世紀末，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想再度成為人們熱議的焦點。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，不應當只是將材料看作一個均勻的塊體，而應當關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。

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

由于電磁波在這種材料內(nèi)部進行傳播時，波矢k、電場E和磁場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群速度材料?？梢哉f，超材料的問世在物理學史上具有里程碑式的意義。超材料，連同具有負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》兩度將“左手材料”的相關研究列為當年的“十大科學進展”。就這樣，隨著科技的進步，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“不切實際”。

光子晶體的誕生

若和命運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順。

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

這兩位科學家的工作很快受到了廣泛的關注，并因此而掀起了研究光子晶體的熱潮。真是無獨有偶，在20世紀末，關于光子晶體的研究也同樣被《科學》兩度列為當年的“十大科學進展”。該雜志于2006年還進一步將光子晶體列為未來自然科學的熱點關注領域。

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)和磁導率都同時為負值的材料。它們具有負的相速度、負的折射率、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、不會丟失信息并將所有能量完全復制到成像點的理想透鏡，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、阻止信號向人腦方向傳播從而避免手機輻射對人體造成的傷害，等等。

利用左手材料以及與之相關的超材料，還可以讓電磁波以特定的路徑繞過其包裹的物體，從而達到使該物體“隱身”的效果，這正是電磁隱身衣與光學隱身衣的實現(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.負折射率的液體

不難想見，左手材料的價值是無可限量的，將會在軍事、通信、航空航天等領域得到廣泛應用。

光子晶體

在當代信息業(yè)中，有一個大夢想，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。

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”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?？梢灶A見，在不久的將來，光子晶體在改變通信領域的同時，還會對其他相關產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生巨大影響。

超材料，物理學新視界

如今對超材料的研究可謂是如火如荼，這不僅是因為它能對人們的生活以及科學技術的發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響，而且是因為它提供了一種全新的思維方式，讓我們得以重新審視這個早已司空見慣了的物理體系。

超材料的出現(xiàn)并沒有違背物理學中的基本規(guī)律，然而，經(jīng)過設計的精細構(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期，人們對材料的使用狀況?；蛟S如同歷史上的石器時代、青銅器時代、鐵器時代、塑料時代等一樣，我們正在試圖開啟一個以超材料為代表的材料新紀元，也未可知。

?左手材料未來將在通信、航空等領域得到廣泛應用

盡管目前超材料的應用大都還只停留在理論階段或者僅僅是一個雛形，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，而不必只是將它當作一個美麗的幻想。

超材料，便將是我們通往夢想的一把最真實的鑰匙。

?d. 光子晶體

?未來，一個線路板中將有數(shù)千個電子超材料元件

據(jù)美國市場研究公司（ABI Research）調(diào)研預測：2010-2020年間，超材料這一細分領域的市場規(guī)模將以41%的年復合增長率發(fā)展，2020年，其市場規(guī)模將達到8.77億美元。如此可見，超材料的應用及市場前景非常壯闊。