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如何使物体隐形

  发表日期:2013年4月8日        【编辑录入:qsng

    知道哈利波特和他的“隐形斗篷”吗?――美国、英国理论物理学家提出一个可以使物体隐形的巧妙方法。只要将物体包上一种“超颖物质”(metamaterial)就可以了,这种超颖物质是一种有奇异电磁特性的复合材料。据这些科学家们说,光射线进入材料内部后将被弯曲传播,然后仅会从物体的另一端与入射前完全一致的方向射出。工作目前虽然只是理论,但科研人员认为,无线电波隐形材料可以在五年内出现。

    这种超颖物质是由小棒、金属环等人工微结构组成的复合材料,它首先由现在杜克大学的David Smith和同事们一起在2000年制得。 这种材料非同寻常之处是它有负折射率,即入射光线会弯向与一般物质中相反的方向。其电磁特性也可以被它的微结构所“弯曲”。如今伦敦皇家学院的John;Pendry与杜克大学的Smith和David Schurig已经在实验中证明超颖物质可以引导光线在围绕其内部空洞传递。任何物体放在这个洞中就会“隐形”,因为光线将无法触及到它,你能看到物体的后面就象物理不存在一样。所有来自一个方向的光射线都将围绕空洞传播,然后仿佛什么都没有似的在原方向汇集,有点类似于水流过圆石头。英国圣安德鲁大学的Ulf;Leonhardt也独立得出了相同的结论。其后的计算工作包括用麦克斯韦方程计算包含空洞的超颖物质,超颖物质要具有什么样的性质才能转移光线使其沿空洞周围传播。要做到这一点,就必须设计超颖物质使之具有使光线在空洞附速度较快而远离空洞速度较慢的特点。(事实上,这要求光线在无限接近于空洞面时速度无限快,然而在一定的条件下这并不违反相对论约束)。超颖物质将使这一设想成为现实,因为它可以被设计成具有负折射指数,而可使光速在点点之间发生变化。虽然这仅是计算结果,但科研人员希望某些人能做出可以使光线产生合乎要求变化的超颖物质。而这未必是很困难的,因为物理学家已经知道如何设计材料使其对无线电波具有这样的性质。这些科学家们认为,从实际上做出无线电层面上的“隐身斗篷”五年可期。这样的设备在军事与通讯领域将有广泛的用途。Leonhardt说:“这项计算研究显示出电磁和光学设备在电磁、光学特性不受限制的情况下将可以完成怎样的工作,然而在实际情况中局限性当然存在。但这项研究仍可能会激发新一轮有关超颖物质的研究。”有趣的是,新的计算方法受到了弯曲空间几何的启发,这是一种通常被企业研究者相对普遍使用的方法。所以Leonhardt说道:“我们这里的案例是将广义相对论思想付诸于光学或电气工程和纳米技术实际利用,这不是很令人惊奇吗?”

    杜克大学的Schurig同样对这项新研究感到兴奋:“我们找到了一种新的模式来设计装置,你简直无法想象它与电磁波的相互作用方式将引发的所有巨大应用。”<BR><BR>图为超颖材料隐形的原理图<BR>&nbsp;<BR>本网编辑吴江滨译自PhysicsWeb&nbsp;<BR><BR>关于“超颖物质”一词最早见于台湾有关国际会议中文文献,现被广泛引用。下面这段文字引于国立台湾大学纳米研究中心文献:<BR>在最近世界上的各先进国家最新且最前瞻的研究中,一种称为metamaterial(暂译”超颖物质”)的研究算是最热门的,此类物质的意义与特殊性在于,不论是自然存在或人工合成的超颖物质结构,其本质能展现以往已知物质不曾有的特性,或被以往的固态物理知识认为在实际上还不曾存在的性质,或是在与外加的能量或不同的电磁场耦和作用后,会有已知材料没有的崭新性质,或产生一些能解决以往不能克服或突破的物理特性,2003年10月在美国下威夷所举办的PIERS2003就提出了几种新的研究和发展,包括左手物质和奈米超解析结构等,其特性与新的应用都已于最近逐渐地报导于”科学”(science)、Physics&nbsp;Review&nbsp;Letter和Applied&nbsp;Physics&nbsp;Letter上,被认为是下一世代奈米科技的研究与发展所必须面对的重要方向,也是当前国际上许多顶尖科学家努力热衷投入的领域,尤其是超颖物质(metamaterial)这种新颖奈米材料的非线性光学作用的研究,是十分重要且极具有极紧迫的时效性及重要性的研究,因为具有奈米结构的超颖物质相信会与电磁波作用引起奈米局域效应,而产生特殊非线性光学作用之增强效应,这方面是目前世界上各先进研究机构认为极新且前瞻的研究,对未来发展人工制作的新颖奈米材料上非常重要。




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