大卫·史密斯领导的团队发明了世界上第一个“隐形罩”。这个隐形罩由玻璃纤维电路板以同心圆排列组成,它可以使特殊频率的微波路线发生偏转,使处于隐形罩内的物体逃过观测,而实际上物体所处的位置没有改变——

 

史密斯说,这种人造结构的超材料能够改变无线电通讯、数据储存,甚至太阳能技术

 

　　由美国杜克大学的大卫·史密斯(David R.Smith)及其同事共同发明的“隐形罩”于去年11月面世后,这一事件不可避免地吸引了媒体的密切关注。当人们谈论的话题集中在由H·C·威尔斯(H.G.Wells)的科幻小说《隐形人》和《星际迷航》时,我们今天所见到的这个隐形罩则是研究人员利用包裹在玻璃纤维内的金属和线缆制成的“超材料”同心环部件。利用这一部件,研究人员成功地使微波辐射绕开物体,从而使物体隐形。

 

　　现在,利用超材料可以实现何种成就已成为最热点的话题之一。这些超材料是由两种或两种以上的材料精确排列组成。利用超材料可以操纵电磁辐射,包括光线。如应用于光子晶体,可以增强或抑制某种波长的光的传播;采用类似史密斯在其隐形罩部件中使用的小线圈组,可以按非常规的方式弯曲光线。

 

　　利用超材料真的能使物体消失吗?美国历史悠久的著名科技期刊《技术评论》(Technology Review)就此采访了史密斯先生。就超材料如何在事实上改变我们观察世界的方式,史密斯一一作了解答。

 

　　记者:您是如何利用超材料使物体隐形的?

 

　　史密斯:这是一个有点复杂的过程,但想象一下也很简单。设想现在有一个由交织纤维组成的结构部件,光在这个结构里的运行轨迹被强制为沿着纤维运行。那么,如果现在你拿一个大头针插进这个结构,这些纤维就会发生扭曲,在这个结构中就会产生一个空洞。但由于光仍被强迫沿着纤维运行,光就绕开了这个空洞,并在到达空洞的另一边后重新按原来轨迹继续运行。因此,你可以把一个物体放在空洞中,光波就不会“看”到它,就如同穿越了一块空地。伦敦帝国理工学院的约翰·潘德瑞(John Pendry)教授还计算出了实现这种情况对超材料的数据要求。

 

　　记者:然后你们就付诸实践了?

 

　　史密斯:是的,当我们获得方法之后,就开始运用过去几年中发展的技术来制作这种材料。我们是在微波频率下做的试验,因为该技术在这种频率下非常起作用,我们很快就制作了一个模型。我们蚀刻了毫米尺度的金属线和C形的环形块,把它们组合在玻璃纤维圆板上。这个部件由大约10个同心圆组成,而这些同心圆由C形环形块组成,每个都有细微的形状差异。

 

　　记者:那么,在这个部件里面的物体真的可以被隐形吗?

 

　　史密斯:差不多。但是当我们在这些结构中谈论隐形的概念,并不是说把物体从你眼前消失掉,至少现在不是。我们可以利用这个部件使物体在微波面前隐藏起来。这个不像军用飞机的隐形防护层,可以基本消除反射,但微波是不可避免地穿越防护层里面的物体的。如果目前的隐形技术可以用于可见光,那么你就真的会看到物体消失了。

 

　　记者:您可以把一个大体积物体“藏”起来吗?比如一架飞机,通过使用合适的超材料覆盖在它的表面,从而对雷达隐形。

 

　　史密斯:我不确信我们现在能否做到。如果你查看一下发展到今天的隐形技术,会发现这些研究的重点一般是使物体在一个较大的频带宽度下躲避雷达检测。但是,我们能够获得的使物体隐形的频带宽度的范围非常有限。如果要使物体躲开所有的可见光,显然还有很长的路要走。

 

　　记者:您可以介绍一些超材料在这个领域的其他用途吗?

 

　　史密斯:在光学领域,超材料是一个崭新的领域。这个领域有着广阔的设计自由空间,新的设计通常是和新技术紧密结合的,因此,目前可能我们还无法想象超材料的最好用途。利用超材料的负折射率可以开拓材料世界的新天地。但要制造适用于可见光的负折射率材料显然难度更高,因为它需要比“隐形罩”的体积更小(不超过10~20纳米)。如果研究成功,这些超材料能够用于增加CD和DVD的数据储存量,或者在光纤通讯领域起到加速数据传输和降低能耗的作用。我们还能够利用超材料集中磁场(这与“隐形罩”的工作原理相反)研制出能量收集装置。如使用适合的超材料,我们可以把来自不同方向的光线集中起来,从此摆脱某些场合必须考虑的直射光的限制。我们现在正在尝试设计这样的结构。如果该结构可以适用于任何可见光,将会大幅提高太阳能的利用效率。