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超颖材料  

2009-12-16 17:28:08|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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超颖材料是最近几年刚兴起的一种新型材料,与传统的光学材料不同的,超颖材料的光学性质不是由材料本身的成分决定的,而是由其内部人工造出的结构决定的。

《哈利·波特》里出现过魔法隐身斗篷,那时还是科学幻想甚至是神话,现在,利用超颖材料,人们在一定程度上实现了隐身斗篷。当然,以目前超颖材料的发展程度,我们离制造出实用的隐身衣还很远。而以这个领域的发展速度,我们可以想象不远的未来能够做出有实用价值的隐身材料。

最普通的超颖材料可以改变光的折射现象,新的折射现象是自然界中存在的材料实现不了的。我们知道,当一种材料的折射率大于1时,从真空(或空气)中 入射进这种材料的光线被偏折,而且光线与材料表面的垂线的夹角小于入射光与垂线的夹角,且两条光线在垂线的两边。而超颖材料可以实现负折射率,用通常的折 射公式我们得知,入射光线和折射光线分布在垂线的同一边!

材料的光学性质主要由两个参数决定,一个是介电常数,一个是磁化率,这两个常数分别决定了材料中静电和静磁性质,而波动的电磁波(光是电磁波)在材 料中如何传播则同时取决于这两个参数。一个透明材料中,这两个参数都是正的,而一个材料如金,介电常数是负的,但磁化率却是正的。材料的折射率是两个常数 乘积的平方根,所以对于这种材料,折射率是虚数,从而材料是不透明的。前面提到的人工负折射率材料,介电常数和磁化率都是负的。早在上世纪60年代俄国物 理学家Victor Veselago就在理论上分析过这种材料,他得出结论,这种材料是透明的,但折射率是负的。在当时,还没有人敢于想象我们有一天会制造出这种材料。

到了2001年,杜克大学的D. R. Smith等人在微波波段实现了负折射率材料。有时,一些负折射材料又叫左手材料,原因是,在通常的正折射率材料中,电场方向、磁场方向与波面的传播方向 (相速度方向)形成一个右手螺旋,而负折射率恰好相反,这三个方向形成一个左手螺旋。换句话说,在负折射率的左手材料中,波面的运动方向与能量的传播方向 恰好相反。

负折射率材料正好是制造隐身斗篷所需要的,直到2006年,杜克大学的D. R. Smith和伦敦帝国学院的J. B. Pendry等人在实验室中实现了隐身斗篷。但这种隐身斗篷还很不实用,一来尺寸非常小,二来只是在微波波段才管用。

超颖材料突破常规材料的另一个特点是可以实现各向异性和不均匀性,即介电常数和磁化率不是常数,是位置的函数,而且,在电磁理论中,介电常数可以不 只是一个参数,更一般的情况有6个常数。磁化率也是如此,这样一共有12个常数。如果介质不均匀,这12个常数就变成了12个位置的函数,这样,通过人工 控制这些函数,我们几乎可以随心所欲地在介质中弯曲光线。所以,作为新型光学材料的超颖材料的应用远远不止是隐身衣,例如可以制造新式的天线,由于天线尺 度远小于共振波长,这样就可以提高天线的灵敏度。Pendry指出,负折射率超颖材料还可以用来制造超透镜,超透镜的特点是它的解析度可以超过通常透镜的 极限,从而使得成像更为清晰。2008年,一些近红外超透镜被制造出来。

超颖材料甚至可以帮助我们实现罕见的天体物理现象。我们知道,在爱因斯坦引力理论中,引力场可以用弯曲的时空代替,光线在引力场中弯曲因为时间和空 间是弯曲的。在一个不随时间变化的时空中,电磁场感受到的弯曲时间和空间可以用6个有效的函数描述,这六个函数恰好是介电材料中的6个介电常数,另外6个 函数即磁化率分别等于6个介电常数。所以,电磁波在静态引力场的传播完全可以用材料来模拟。

一个静态黑洞产生一个静态引力场,所以我们原则上可以用超颖材料来模拟黑洞。今年10月份,《科学》杂志报道,东南大学的崔铁军和程强等人就制造出 这样的人工黑洞。他们在铜上刻出结构,这样微波就可以感到类似引力场的介电结构。这个人工黑洞由60层印刷电路板组成,是柱状的。这不同于自然界中的黑 洞,在太空中,一个不转动的黑洞具有球对称性,而不是柱对称性。但这仅仅是技术上的限制。

同样是今天10月份,我和两位学生苗荣欣和庞毅在一篇论文中指出,一种特殊的加速膨胀的宇宙,德西特宇宙,也可以用超颖材料来模拟。德西特宇宙存在 一个静态描述,这是用超颖材料模拟的关键。我们的研究的重点不是指出超颖材料可以模拟加速膨胀宇宙,而是指出使得宇宙加速膨胀的暗能量非常可能是一种叫做 Casimir能量的量子涨落。如果我们能够在实验室中制造出模拟德西特宇宙的材料,那么原则上这个材料中存在一种类似暗能量的能量。如果实验家们能够测 出这种能量,这将是利用超颖材料研究宇宙学的重大进展。

用超颖材料研究引力场还在起步阶段,还有很多研究需要完成,例如,我们需要在理论上确定黑洞的霍金辐射是否可以用超颖材料来模拟。自然,技术上最重要的还是将超颖材料的有效频率做到可见光波段,甚至更宽的波段。

(《环球科学》专栏,勿转)

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