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你也可以当“巫师”

发布时间:2020-05-03 17:13编辑:材料信息浏览(100)

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    图片 2 隐身装置让铅笔的一部分消失

    你也可以当“巫师” 科学家玩转隐形技术

      披上一件隐身斗篷,在人们的视野中瞬间遁形,这是人类长期以来的梦想之一。日前,一只猫和一条金鱼比人类提前“享用”了一种隐身衣。10月24日,浙江大学国际电磁科学院陈红胜教授课题组在《Nature Communications》上发表的一篇论文报道了该课题组的最新进展,他们与新加坡南洋理工大学张柏乐教授等研究团队合作,使用玻璃制造出了可见光波段的生物隐形器件。

    紧身隐形斗篷上极薄的金片天线

      让光线转弯

    V. ALTOUNIAN制图

      要研究“隐形”,就要先明白物体为什么会“显形”:当电磁波照射到物体上时,会在物体上发生散射。散射的电磁波被人眼等“感应器”接收,就能识别那里存在物体。“目前应用的隐身技术,大部分是通过吸收电磁波,让反射回去的电磁波达到最小,但这种技术并不是人们通常所理解的隐身。”陈红胜说。

    在英国作家JK罗琳脍炙人口的小说《哈利波特与魔法石》中,年轻巫师哈利收到了一件斗篷,一件穿上后可以让人们看不到他的隐身斗篷。现在,在隐形斗篷这个方兴未艾的研究领域,研究人员也制作出了一件超薄的斗篷。这件斗篷不是通过魔法发挥作用,而是利用反射光让一个物体隐形。而且它也不能帮助哈利隐身,因为它仅能隐藏体积仅有几微米的物体。但研究人员表示,这一成果有望在未来进一步隐藏体积更大的物体。

      2006年,英国帝国理工学院Pendry等在Science上发表文章,提出了利用坐标变换的方法设计隐身衣,既不反射也不吸收电磁波,使电磁波能够绕过被隐身的区域,按照原来的方向传播,从而可以使物体完全隐形。这是隐身衣设计的“殿堂级”理论,奠定了隐身衣研究的理论体系。它的核心思想是,通过材料表面折射率的改造,让光线“转弯”绕过物体按原方向传播,就能将物体隐藏。此后,隐身衣的研究得到飞速发展,近年来成为电磁学、物理学、光学、材料科学及交叉学科非常前沿和热门的研究领域之一。

    这件斗篷非常薄,它绝对称得上是人们想象中的斗篷。英国伦敦帝国理工学院理论学家John Pendry说,他在2006年曾提出首个隐形斗篷的科学理论,相关成果发表于《科学》杂志。和它们隐藏的对象相比,这些斗篷更大一些可以说它们不像哈利的斗篷,倒是更像哈利的小屋。Pendry说道。提出这种新式斗篷的美国得克萨斯州立大学电子工程学家Andrea Al表示:这是一项极棒的研究成果。

      “就像小溪里的流水,经过一块石头时,溪流会绕过石头后再合拢了继续向前,就像没有遇到过石头一样。进入隐身衣的光线要绕过物体,所以走过的路径长;没有进入隐身衣的光线是一条直线,走过的路径短。完美的隐身衣要求所有的光线保持相同相位,因此进入隐身衣的光线必须跑得比外部光线快,这就要求隐身衣的材料对不同光线具有不同的折射率。”陈红胜说,要实现Pendry“完美隐身”的理想,要非常精密的纳米加工技术,目前还无法实现,我们必须进一步对理论进行简化,才有可能在不同的电磁波频段里研发出可以实用的“隐身衣”。

    最初的隐形斗篷可以非常顺利地让一个物体周围的光或是较长波长的电磁波成为漏斗形,从而使其隐形。第一个隐形斗篷仅能在一个波段中发挥作用,它是个可以在物体内部引导光线的环状物,即由位于一个平面上的棱柱状物体构成的一个波段较宽的地毯式斗篷。

      聚焦可见光波段

    然而,这种斗篷存在限制,它们由超级材料制作而成。为了顺利地让光成为漏斗形,超材料的外壳厚度必须比放射物的波长更大。

      陈红胜课题组近两年的研究,聚焦如何在可见光波段实现物体隐形,也就是说,怎样让物体在人的肉眼前遁形。他们提出了一种可见光波段多边形隐身衣的设计方法,通过均匀线性变换的方法,设计并简化了隐身衣的各个部分的参数,对于隐身衣从理论走向实用起到了促进作用。

    为了让一个物体周围的光呈漏斗形,加州大学伯克利分校应用物理学家张翔和团队改变了一个物体上弹开的光波,从而清除了这些光波的痕迹否则它们就会留在该物体的波段中。和上面的地毯式斗篷一样,该物体也位于一个表面上。

      “人眼对光线的相位和略微延时并不敏感,”陈红胜说,结合这一特性,他们对Pendry提出的理论体系进行进一步简化,剔除理论中“光线保持相同相位”的条件,这样,“隐身器件能够使用更加易得的材料,也不需纳米级工艺雕琢,降低了隐身衣的设计和实现难度。”

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