近日,媒體熱議浙江大學陳紅勝教授帶領的團隊研製出的電磁波隱身衣,而在此之前,花店日本、美國、加拿大等國家的科學家都曾拿出過這方面的研究成果。
  實際上,無論是美國科學家還是浙大研製的隱身衣,都與人們想象中相去甚遠。它們有的根本就不是衣服的形面膜態,有的只能做到微波段隱形,或者僅僅是拿出了一個概念和噱頭。
  2006年《科學》分別發表物理學家烏爾夫·萊茵哈特和約翰·彭德利的關於隱形的論文。這兩篇論文奠定了隱形技術的理論體系,隱形技術逐漸成為學界最熱門的研究領域之一當鋪,負折射率材料也由此被極大豐富。然而,在實現完美隱形和成果應用上,我們仍有很長一段路要走。
  ●南方日報記者網站優化 張婧
  策劃統籌:關鍵字廣告殷劍鋒
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  沒有硝煙的戰場
  隱形一直在各類影視、文學作品中陪伴著我們。實際上,在現實世界里,也有一群追逐隱形的科學家,他們試圖研製出最完美的隱形器件
  一條金魚,在游過一個邊長5釐米、高5釐米的玻璃柱狀正六邊體的中心孔洞時突然“消失”,透過正六邊體,魚缸另一側的景象完整可見;當金魚游出孔洞,它又重新顯現在魚缸中。這是浙江大學信電系實驗室里發生的一幕,玻璃柱狀正六邊體就是浙江大學國際電磁科學院陳紅勝教授團隊與新加坡南洋理工大學張柏樂教授等研究團隊合作最新研製的隱身衣,這則消息迅速引起媒體熱議,重新點燃了人們久懷的隱形夢想。
  隱形在古代被稱為“遁”,是許多方士畢生追求的目標;古希腊神話中帕修斯戴上哈迪斯贈送給他的隱形帽,成功斬殺美杜莎。從哈利波特到指環王,從星際迷航到透明人,隱形一直在各類作品中陪伴著我們。實際上,在現實世界里,也有一群像陳紅勝這樣追逐隱形的科學家。
  這是一個沒有硝煙的戰場。早在2004年,日本東京大學計算機科學和物理學教授田智前就向人們展示了他研製的光學偽裝衣——一位張開手臂的女子身著的寬大服裝上透視出身後正在行走的行人。
  光學偽裝衣的原理是在衣服外覆蓋一層反光小珠,衣服上裝有數個小型攝像儀,將衣服前後的場景投影至衣服上,使穿衣人與周圍環境融為一體,但這件隱身衣明顯只能實現部分隱形,達不到人們想象中的完全隱形。
  自從2006年烏爾夫·萊茵哈特和約翰·彭德利關於隱形的論文發表後,隱身衣已成為電磁學、物理學、光學、材料科學及交叉學科最前沿和最熱門的研究領域之一。世界各地許多科學家開始以此為起點,在隱身衣的研製上展開了激烈競爭。
  萊茵哈特和彭德利的論文發表不久後,美國杜克大學的戴維·史密斯教授帶領的小組利用新型人工電磁材料在微波段研製成功圓柱形的隱身大衣原型,驗證了用該材料實現隱身的設想,宣告微波隱形材料的誕生。然而,這一隱身衣存在明顯缺陷:第一,只在頻譜帶寬內有效;第二,損耗大,隱形效果不明顯。
  第二年,美國普渡大學的弗拉基米爾·沙拉耶夫教授帶領的研究團隊同樣研製出了一種光學超材料,並於2008年通過《科學》公之於眾。這種光學超材料具有改變光線傳播方向的能力,光線在這種材料中會出現負折射,達到隱形效果。
  2009年,原屬史密斯小組的劉若鵬領導其團隊研發出超材料隱身衣,外形如同一條黃色浴巾,由數以千計的類似人造玻璃纖維的超材料組成,隱身衣的原理是讓微波轉向。但依然局限於對微波段光路的改變,可見光波段依然無計可施。
  3年後,加拿大超級隱形生物科技公司發佈出來的隱身衣效果圖驚艷了人們——可見光波段下的隱形幾近完美。這家公司表示已經研發出通過使穿著者周圍的光波彎曲而實現隱形效果的量子隱形偽裝材料,然而這種隱身衣效果究竟如何,根據該公司負責人的說法,僅有美國和加拿大軍方看到過真實材料。
  直到前不久,浙江大學陳紅勝教授團隊研製出隱形器件橫空出世,終於讓隱形在可見光波段得到了一定程度的實現。然而這種隱形也是不完美的,只有從六邊形隱形器件正對六條棱角的方向看過去,才有比較好的隱形效果,此外隱形器件本身也並不能隱形。
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  可見光尺度的隱形
  負折射率材料要麼是在納米尺度上讓可見光和近紅外光彎曲,要麼只能彎曲微波。而人們想要的,是在肉眼可見的尺度上實現可見光的轉彎
  陳紅勝團隊的創新之處在於,他們實現了可見光波段的物體隱形。
  為什麼我們能“看”到物體?當光線照射到物體上時,會在物體上發生散射。散射的光線被人眼等“感應器”接收,就能識別那裡存在的物體。
  陳紅勝介紹,目前應用的隱形技術,大部分是通過吸收電磁波,讓反射回去的電磁波達到最小。隱形飛機等就是應用這種方法。
  但是在可見光頻段,這種技術就相當於給物體穿了一件不反射光波的黑色衣服一樣,在黑暗的背景中不會被髮現,但是在明亮的背景中卻更顯眼。
  烏爾夫·萊茵哈特和約翰·彭德利在論文中提出,利用坐標變換的方法設計隱身衣,既不反射也不吸收電磁波,而是使電磁波繞過被隱身的區域,按照原來的方向傳播,從而使物體隱形。這種隱形途徑為其他研究者打開了思路。
  光線沿直線傳播是眾所周知的事實,科學家們真的能讓光線轉彎嗎?事實證明是可以的。這其中涉及負折射率材料。
  光從正折射率材料入射到具有正折射率材料的界面時,投射光線和折射光線分別位於界面法線兩側。而當光從正折射率材料入射到具有負折射率材料的界面時,入射光線和折射光線位於界面法線方向同一側,也就是說,在這種材料中,光出現了扭曲的現象。光線轉彎了,負折射率材料和隱藏在負折射率材料內的物體也就隱形了。
  之前提到的戴維·史密斯、沙拉耶夫、劉若鵬的團隊所研究的隱身衣都屬於這類。沙拉耶夫介紹他的負折射率的超材料時說,當微觀結構的尺寸與光波的波長相當時,就能夠表現出某些光學和電磁學上的特異性,“而我的材料結構比光波波長還小”。
  他依靠一排從中心點開始沿輪輻方向向外輻射的微型針,將光的折射和扭曲減少到幾乎為零,使得圍繞著隱身衣的光線發生彎曲,從而實現了隱形。
  而劉若鵬的隱身衣則以數千塊細小的“特異材料”片製成,這種人造纖維玻璃般的物料能控制光線。研究員透過一系列複雜的計算輔助,把這些“特異材料”片排列成可以“抓取”微波,並且令它們的路徑變彎。
  但他們的負折射率材料要麼是在納米尺度上讓可見光和近紅外光彎曲,要麼只能彎曲微波而非可見光。而人們想要的,是在肉眼可見的尺度上也能實現可見光的轉彎。陳紅勝做到了。
  陳紅勝課題組提出了一種可見光波段多邊形隱身衣的設計方法,通過均勻線性光學變換的方法,設計並簡化了隱身衣各個部分的參數,對於隱身衣從理論走向實用起到了促進作用。
  陳紅勝說,完美的隱身衣要求所有的光線保持相同相位,因此進入隱身衣的光線必須跑得比外部光線快,這就要求隱身衣的材料對不同光線具有不同的折射率。
  “小溪里的流水,經過一塊石頭時,溪流會繞過石頭後再合攏了繼續向前,如同沒有遇到過石頭一樣。進入隱身衣的光線要繞過物體,所以走過的路徑長;沒有進入隱身衣的光線是一條直線,走過的路徑短”。
  課題組發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters,PRL)上的論文首次解釋了隱身衣的物理機制,提出了對隱形效果定量分析的理論框架,這項成果將在隱身衣的設計中起到重要的指導作用。“我們由此可以計算出怎樣的參數可以實現多少程度上的隱形。”陳紅勝說。
  但是,雖然首次真正實現了可見光波段的隱形,但必須看到,隱形技術只能實現在某一個頻段上隱形。肉眼見不到的隱身衣雖然在可見光頻率範圍內能夠實現隱形,但是用其他頻段的電磁波還是可以探測到。這跟能逃過雷達監測的隱形飛機用肉眼卻能看到是同樣的道理。
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  全面應用尚待時日
  隱形器件的研究存在幾個主要的技術瓶頸,如材料參數苛刻、不夠輕便等,目前的研究主要處於實驗驗證及測試階段,離應用還有很長的距離
  雖然隱身衣與人們想象中完美的隱形效果相去甚遠,但隱形技術研究的成果,應用前景都十分廣闊。
  自從隱形技術現身,軍方對其就表現出強烈的興趣。美國國防部曾大力資助史密斯小組的研究工作,史密斯表示隱形材料可以用於隱藏偵查設備,保護進入敵軍腹地的部隊。
  南京理工大學研究員王敏芳等曾撰寫論文描述負折射率材料在新型軍事雷達、通信系統天線等方面的廣闊應用前景,對減小雷達尺寸、改善天線指向性、提高增益等性能具有重要軍事應用價值。
  以天線為例,將負折射率材料應用於天線覆層將能極大地提高天線性能,可滿足高定向性、高增益、重量輕、體積小的嚴苛要求。
  微波段負折射率材料還可廣泛應用於微波器件、前向波方向耦合器、寬帶相移器、分佈式放大器等。利用逆多普勒效應則可應用於製備體積小、成本低、頻段寬的高頻電磁脈衝發生裝置等。
  而在電磁隱身、可見光隱身和聲隱身方面,負折射率材料也能大顯身手。這也是軍方對其極具興趣的原因之一——將航天器、軍用飛機、艦艇、戰車、軍事設施及士兵隱形,讓常用監測設備無法捕捉到敵人影像,在神不知鬼不覺中快速制敵,或者讓敵人根本找不到攻擊目標。
  毫無疑問,未來戰爭中隱形技術也是決定勝負至關重要的一環,技術落後一方將被毫不留情地碾壓。
  在民用上,現有的隱形技術和超穎材料對於無線通信、醫學成像、無損檢測、汽車防撞雷達等方面已有許多應用意義,比如受電磁干擾嚴重的電子產品如何在電磁場內使用等。
  美國工程院院士、加州大學伯克利分校教授張翔在此領域研究多年,他在接受媒體採訪時曾表示,相對隱身衣而言,隱形材料的影響將更加深遠。比如將負折射率材料製作成透鏡,研發人員就可以在極小的尺度上工作,製造出更小的電路,這意味著芯片的存儲能力、集成能力會向前大大推進,高性能計算機的納米級集成電路、更高存儲量的DVD等也可能接踵而來。
  隱形材料還有一些有趣的用途。比如對於不符合人文、自然景觀的工廠、高壓電線塔等建築物,也可以給他們披上一層隱身衣,讓城市、環境變得更加和諧美觀。甚至有科學家期望將來研製出的隱形材料能夠改變地震波方向,阻止放射性物質泄漏等。
  那麼,完美的隱身衣到底何時才能面世?“隱身衣的研究存在幾個主要的技術瓶頸,如材料參數苛刻、不夠輕便等,因此目前隱身衣的研究主要還處於實驗驗證及測試階段,離應用還有很長的距離。”陳紅勝說。
  雖然完美隱身衣不會立即出現,但對科技發展的未來並不用灰心。隨著時間的推移,總有一天,360度無死角的完美隱形器件終會出現。到時候令人關心的可能並不是技術,而是道德倫理的討論了。  (原標題:隱形:從微波到可見光的跨越)
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Sean Penn

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