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隐身斗篷|好好利用这种材料 披上隐身斗篷的难度将大大降低

科学家发现 ， 当材料介电常数和磁导率满足一定关系时 ， 电磁波在介质中会沿给定的曲线传播 ， 并且不产生反射 ， 从而模拟出扭曲的时空 。 这意味着人类可以通过精确设计 ， 实现对电磁波的自由操控 。 通过借鉴变换光学理论 ， 科学家预言了热隐身斗篷：即利用人为改造微结构的超材料 ， 改变波的传播路线 ， 使其绕过物体 ， 从而使该物体隐身 。
【隐身斗篷|好好利用这种材料 披上隐身斗篷的难度将大大降低】◎本报采访人员 符晓波
春节假期将近 ， 北京环球度假区即将迎来大波游客 ， 在其一众主题园区中 ， 哈利·波特的魔法世界拥有众多拥趸 。 如果要问魔法世界中的什么最吸引人 ， 也许很多人的回答是：隐身斗篷 。
在武侠或者科幻题材作品中 ， 关于隐身术的描绘总令人浮想联翩 ， 成为许多人幻想拥有的超能力 。 若能在茫茫人海中隐匿自己 ， 或利用隐身术制造一些空中悬物的“恶作剧” ， 光想想就很酷 。 那么 ， 是否有什么手段和方法能让我们如愿实现隐身呢？从科学角度来说 ， 答案是肯定的 。
隐身术即“低可探测技术”
从某种程度上说 ， 隐身术已经较为成熟地应用于军事领域 。 不过这里所说的隐身术准确来说应该叫“低可探测技术” ， 即利用各种不同的技术手段来改变目标物可探测性信息特征 。
此类技术手段包括采用独特设计的吸波、透波材料降低目标物对电磁波、光波的反射；采取隔热、散热措施减弱目标物的红外辐射；通过折射光线使人眼无法察觉目标物 ， 使其降低被发现的可能；在军用飞机、舰艇、火箭弹上采用雷达隐身材料、红外隐身材料等使目标物躲过侦查仪器 ， 实现隐身效果等 。
不过此类隐身与人类所畅想的隐身超能力尚有差别 ， 毕竟要实现人的隐身需要躲过的不仅仅是各类侦查仪器 ， 还要躲过最精密的人眼 ， 技术难度可想而知 。
隐身材料是研发关键点
2006年 ， 英国帝国理工学院的物理学家约翰·彭德里等人分别提出了电磁隐身斗篷的理论 ， 受到人们广泛的关注 。
科学家发现 ， 当材料介电常数和磁导率满足一定关系时 ， 电磁波在介质中会沿给定的曲线传播 ， 并且不产生反射 ， 从而模拟出扭曲的时空 。
这意味着人类可以通过精确设计 ， 实现对电磁波的自由操控 。 通过借鉴变换光学理论 ， 科学家预言了热隐身斗篷：即利用人为改造微结构的超材料 ， 改变波的传播路线 ， 使其绕过物体 ， 从而使该物体隐身 。
自此 ， 隐身衣的研制开始成为电磁学、物理学、光学、材料科学及交叉学科最前沿和最热门的研究领域之一 。 基于超材料支撑的变换光学也成为物理学界的热门话题 。
根据理论 ， 隐身材料是隐身技术发展的关键 。 约翰·彭德里此前在接受媒体采访时表示 ， 变换光学器件需要的材料参数对于天然材料来说相当苛刻 ， 甚至难以实现 ， 超材料为实现变换光学器件制备提供了更简易的可能 。 可以说 ， 超材料的出现和发展 ， 推动了在隐身研究领域中广泛传播的制作隐身斗篷的热情 。
理想状况下 ， 人为调节参数一定可以设计并制造出性能特异的吸波材料 ， 从而设计和实现许多具有不同功能的器件 ， 例如隐身斗篷、光学错觉装置、旋转器等 。 但实际操作中 ， 为了实现隐身效果 ， 通常需要简化电磁参数以避免电磁参数出现无限大或负数的情况 ， 且还需要用复杂结构等效出梯度折射率材料 ， 这些过程需要昂贵的光刻技术和繁琐的制造方法 ， 并且最终的实际效果也会因存在种种局限而大打折扣 。 因此 ， 超材料真正成为隐身材料还有一定的距离要走 。
不用超材料也可实现隐身
面对超材料目前存在的局限性 ， 科学家们又有了新突破 。
近日 ， 厦门大学物理科学与技术学院陈焕阳课题组联合其他研究人员在研究中发现 ， 使用一种常见的二维天然材料三氧化钼（α-MoO3）制造隐身装置 ， 可以达到超材料实现的隐身效果 。 这意味着 ， 未来制造隐身设备的门槛会大幅降低 ， 许多科幻电影、小说中描述的情形将有望在现实中出现 。 该研究成果发表在国际期刊《纳米光子学》杂志上 。
研究人员发现 ， 当把三氧化钼薄片卷在圆柱形光纤上时 ， 在中红外电磁照明下的物体从视觉上消失了 。 这项最新模拟计算表明 ， 天然材料三氧化钼具备超材料的特性 ， 无需复杂加工即可成为理想的隐身材料 。
陈焕阳解释 ， 达到结构的法布里—珀罗共振的光能够以极小的散射通过三氧化钼隐身聚光器传播 ， 并且能量在中心处得到加强 ， 达
到隐藏电磁照明下的物体的目的 ， 即隐身 。 “三氧化钼把光沿着一定方向挤压进内核 ， 相当于把光抓进了物体内 ， 如果折射率和阻抗匹配 ， 就感觉内核不存在 ， 产生了隐身的效果 。 ”陈焕阳说 。
此外 ， 利用三氧化钼代替超材料制造的新兴隐身器件在特定光源位置还表现出错觉效应 ， 使得人无法通过外场判断光源的真实位置 。
天然材料优势多多
“这是二维材料首次被用于变换光学器件的设计 ， 通常我们需要超材料 ， 但这次要简单得多 。 ”陈焕阳介绍 ， 人们通常认为 ， 实现完美的隐身效果很大程度上要依赖人造材料 ， 这次实验的成果为天然二维材料替代超材料制造隐身器件提供了新的可能 。 而且相比超材料 ， 这种材料具有更多价格和制作上的优势 。
除此之外 ， 传统的超材料存在跨尺度制备难题 。 比如超材料人工原子为纳米结构 ， 因此毫米尺寸器件涉及跨尺度制备 ， 其计算、设计和制备都非常困难 。 而真正投入应用的隐身器件例如隐身斗篷 ， 其尺寸一般更大 ， 制备难度可想而知 。 利用二维层状材料 ， 特别是具备光学各向异性的二维层状材料 ， 作为类似人工超材料的基本构筑单元 ， 可以突破跨尺度制备难题 。
该研究结果表明 ， 双曲材料作为变换光学的新的材料基础 ， 可以产生更多超越隐形聚光器的新纳米光子概念 ， 如多频超散射、变换等离激元学等 。
这项研究在初步实验中取得令人满意的结果 ， 不过仍然处于验证阶段 。 “各向异性和渐变是超材料的特性 ， 也是变换光学所需要的 ， 如果二维材料也能实现类似的调控 ， 将是一个非常有前景的领域 。 ”陈焕阳介绍 ， 在一些研究人员合作进行的另一项研究中 ， 研究人员合作构筑的叠层结构 ， 已经可以通过控制两片三氧化钼晶体的叠层转角 ， 从光学上实现从椭圆色散到双曲色散的各向异性连续调控 。 虽然目前渐变调控还存在困难 ， 但相信不久的将来 ， 这些难题能够被攻破 。
研究人员表示 ， 如果这些科学问题都能解决 ， 也许可以催生一个变换等离激元学的新研究方向 。 这些课题目前都是偏应用基础性的研究 ， 在产业和商业化应用上还有相当长的一段路要走 ， 但毋庸置疑 ， 新材料及其新特性的发现一定会带来一些新的应用 。 采访人员 符晓波

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