超穎材料

超穎材料
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李淼

超穎材料是最近幾年剛興起的一種新型材料，與傳統的光學材料不同的，超穎材料的光學性質不是由材料本身的成分決定的，而是由其內部人工造出的結構決定的。

《哈利·波特》裡出現過魔法隱身鬥篷，那時還是科學幻想甚至是神話，現在，利用超穎材料，人們在一定程度上實現了隱身鬥篷。當然，以目前超穎材料的發展程度，我們離制造出實用的隱身衣還很遠。而以這個領域的發展速度，我們可以想像不遠的未來能夠做出有實用價值的隱身材料。

最普通的超穎材料可以改變光的折射現像，新的折射現像是自然界中存在的材料實現不了的。我們知道，當一種材料的折射率大於1時，從真空（或空氣）中入射進這種材料的光線被偏折，而且光線與材料表面的垂線的夾角小於入射光與垂線的夾角，且兩條光線在垂線的兩邊。而超穎材料可以實現負折射率，用通常的折射公式我們得知，入射光線和折射光線分布在垂線的同一邊！

材料的光學性質主要由兩個參數決定，一個是介電常數，一個是磁化率，這兩個常數分別決定了材料中靜電和靜磁性質，而波動的電磁波（光是電磁波）在材料中如何傳播則同時取決於這兩個參數。一個透明材料中，這兩個參數都是正的，而一個材料如金，介電常數是負的，但磁化率卻是正的。材料的折射率是兩個常數乘積的平方根，所以對於這種材料，折射率是虛數，從而材料是不透明的。前面提到的人工負折射率材料，介電常數和磁化率都是負的。早在上世紀60年代俄國物理學家Victor Veselago就在理論上分析過這種材料，他得出結論，這種材料是透明的，但折射率是負的。在當時，還沒有人敢於想像我們有一天會制造出這種材料。

到了2001年，杜克大學的D. R. Smith等人在微波波段實現了負折射率材料。有時，一些負折射材料又叫左手材料，原因是，在通常的正折射率材料中，電場方向、磁場方向與波面的傳播方向（相速度方向）形成一個右手螺旋，而負折射率恰好相反，這三個方向形成一個左手螺旋。換句話說，在負折射率的左手材料中，波面的運動方向與能量的傳播方向恰好相反。

負折射率材料正好是制造隱身鬥篷所需要的，直到2006年，杜克大學的D. R. Smith和倫敦帝國學院的J. B. Pendry等人在實驗室中實現了隱身鬥篷。但這種隱身鬥篷還很不實用，一來尺寸非常小，二來只是在微波波段才管用。

超穎材料突破常規材料的另一個特點是可以實現各向異性和不均勻性，即介電常數和磁化率不是常數，是位置的函數，而且，在電磁理論中，介電常數可以不只是一個參數，更一般的情況有6個常數。磁化率也是如此，這樣一共有12個常數。如果介質不均勻，這12個常數就變成了12個位置的函數，這樣，通過人工控制這些函數，我們幾乎可以隨心所欲地在介質中彎曲光線。所以，作為新型光學材料的超穎材料的應用遠遠不止是隱身衣，例如可以制造新式的天線，由於天線尺度遠小於共振波長，這樣就可以提高天線的靈敏度。Pendry指出，負折射率超穎材料還可以用來制造超透鏡，超透鏡的特點是它的解析度可以超過通常透鏡的極限，從而使得成像更為清晰。2008年，一些近紅外超透鏡被制造出來。

超穎材料甚至可以幫助我們實現罕見的天體物理現像。我們知道，在愛因斯坦引力理論中，引力場可以用彎曲的時空代替，光線在引力場中彎曲因為時間和空間是彎曲的。在一個不隨時間變化的時空中，電磁場感受到的彎曲時間和空間可以用6個有效的函數描述，這六個函數恰好是介電材料中的6個介電常數，另外6個函數即磁化率分別等於6個介電常數。所以，電磁波在靜態引力場的傳播完全可以用材料來模擬。

一個靜態黑洞產生一個靜態引力場，所以我們原則上可以用超穎材料來模擬黑洞。今年10月份，《科學》雜志報道，東南大學的崔鐵軍和程強等人就制造出這樣的人工黑洞。他們在銅上刻出結構，這樣微波就可以感到類似引力場的介電結構。這個人工黑洞由60層印刷電路板組成，是柱狀的。這不同於自然界中的黑洞，在太空中，一個不轉動的黑洞具有球對稱性，而不是柱對稱性。但這僅僅是技術上的限制。

同樣是今天10月份，我和兩位學生苗榮欣和龐毅在一篇論文中指出，一種特殊的加速膨脹的宇宙，德西特宇宙，也可以用超穎材料來模擬。德西特宇宙存在一個靜態描述，這是用超穎材料模擬的關鍵。我們的研究的重點不是指出超穎材料可以模擬加速膨脹宇宙，而是指出使得宇宙加速膨脹的暗能量非常可能是一種叫做 Casimir能量的量子漲落。如果我們能夠在實驗室中制造出模擬德西特宇宙的材料，那麼原則上這個材料中存在一種類似暗能量的能量。如果實驗家們能夠測出這種能量，這將是利用超穎材料研究宇宙學的重大進展。

用超穎材料研究引力場還在起步階段，還有很多研究需要完成，例如，我們需要在理論上確定黑洞的霍金輻射是否可以用超穎材料來模擬。自然，技術上最重要的還是將超穎材料的有效頻率做到可見光波段，甚至更寬的波段。

（《環球科學》專欄，勿轉）