披上一件隱身斗篷，在人們的視野中瞬間遁形，這是人類長期以來的夢想之一。日前，一只貓和一條金魚比人類提前“享用”了一種隱身衣。10月24日，浙江大學(xué)國際電磁科學(xué)院陳紅勝教授課題組在《Nature Communications》上發(fā)表的一篇論文報道了該課題組的最新進展，他們與新加坡南洋理工大學(xué)張柏樂教授等研究團隊合作，使用玻璃制造出了可見光波段的生物隱形器件。
讓光線轉(zhuǎn)彎
要研究“隱形”，就要先明白物體為什么會“顯形”：當(dāng)電磁波照射到物體上時，會在物體上發(fā)生散射。散射的電磁波被人眼等“感應(yīng)器”接收，就能識別那里存在物體。“目前應(yīng)用的隱身技術(shù)，大部分是通過吸收電磁波，讓反射回去的電磁波達到最小，但這種技術(shù)并不是人們通常所理解的隱身。”陳紅勝說。
2006年，英國帝國理工學(xué)院Pendry等在Science上發(fā)表文章，提出了利用坐標(biāo)變換的方法設(shè)計隱身衣，既不反射也不吸收電磁波，使電磁波能夠繞過被隱身的區(qū)域，按照原來的方向傳播，從而可以使物體完全隱形。這是隱身衣設(shè)計的“殿堂級”理論，奠定了隱身衣研究的理論體系。它的核心思想是，通過材料表面折射率的改造，讓光線“轉(zhuǎn)彎”繞過物體按原方向傳播，就能將物體隱藏。此后，隱身衣的研究得到飛速發(fā)展，近年來成為電磁學(xué)、物理學(xué)、光學(xué)、材料科學(xué)及交叉學(xué)科非常前沿和熱門的研究領(lǐng)域之一。
“就像小溪里的流水，經(jīng)過一塊石頭時，溪流會繞過石頭后再合攏了繼續(xù)向前，就像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。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。”陳紅勝說，要實現(xiàn)Pendry “完美隱身”的理想，要非常精密的納米加工技術(shù)，目前還無法實現(xiàn)，我們必須進一步對理論進行簡化，才有可能在不同的電磁波頻段里研發(fā)出可以實用的“隱身衣”。
聚焦可見光波段
陳紅勝課題組近兩年的研究，聚焦如何在可見光波段實現(xiàn)物體隱形，也就是說，怎樣讓物體在人的肉眼前遁形。他們提出了一種可見光波段多邊形隱身衣的設(shè)計方法，通過均勻線性變換的方法，設(shè)計并簡化了隱身衣的各個部分的參數(shù)，對于隱身衣從理論走向?qū)嵱闷鸬搅舜龠M作用。
“人眼對光線的相位和略微延時并不敏感，”陳紅勝說，結(jié)合這一特性，他們對Pendry提出的理論體系進行進一步簡化，剔除理論中“光線保持相同相位”的條件，這樣，“隱身器件能夠使用更加易得的材料，也不需納米級工藝雕琢，降低了隱身衣的設(shè)計和實現(xiàn)難度。”
2012年，陳紅勝課題組用一種自然界存在的雙折射晶體研發(fā)了一套柱形隱身器件，實現(xiàn)讓一根筷子粗細的物體隱形。“但是這種材料的尺度很小，且只能對某個極化的光才可以隱形，又無法大規(guī)模制備，我們需要進一步研究適用于大尺度器件的材料和方法。”課題組成員，博士生鄭斌說。
2013年，通過進一步的理論分析，課題組對隱身器件的參數(shù)進行優(yōu)化，并選用在工業(yè)上可以大規(guī)模制備的一種玻璃作為隱身衣的材料，將隱身衣的“尺寸”擴增到直徑分米量級以上，并且可以在任意極化的自然光下隱身。實驗顯示，一只蹲在六邊形隱身裝置的小貓，在特定的某個角度，光線可以直接繞過小貓，并回到原來的路徑出射。為了探究隱身衣對不同生命環(huán)境的適應(yīng)性，課題組還研發(fā)了一組適用于水中隱形的裝置：金魚游進這件“隱身衣”，身后的物體仍然一覽無余。“這意味著隱身器件不僅能夠隱藏像貓、魚這樣大的物體，生物還能和隱身器件一起活動，隱身效果并不會因此受到影響。”陳紅勝說。
截止目前，這一可見光頻段的隱身器件還只能在特定的角度上取得理想的隱身效果，如六邊形隱身器在正對六條棱角的角度具有較好效果，而多邊隱身器僅有兩個角度能夠?qū)崿F(xiàn)隱身。 陳紅勝表示，這一隱身器件將有望在安全、娛樂和監(jiān)控應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮作用。團隊在下一步將著力提升隱身的性能，如增加隱身角度，減輕裝置的重量等。
隱身衣熱
隱身衣理論體系的提出者Pendry看到了這一研究進展，他在接受英國《衛(wèi)報》采訪時表示，這項工作是隱身衣研究領(lǐng)域“一個真正的進步”，此外，他在接受《自然》記者采訪時進一步指出：“每個人都想擁有一件在可見光頻段下能夠隱藏現(xiàn)實世界中很大物體的隱身衣，但是要達到這點需要對理想的隱身衣理論進行一些折中設(shè)計，”他認為陳紅勝和他的同事們在這方面走的比大多數(shù)更遠，他們剔除了透射波相位要求保持一致的條件，“結(jié)果，他們實現(xiàn)了尺度相當(dāng)大的可見光隱身器件”。
據(jù)介紹，目前隱身器件實驗研究方面進展主要可以歸為兩類：一類是地毯式隱身器件，物體躲在地毯式隱身器件下面，對于上面的觀察者來說，看到的效果就像平整的地面一樣，由此可以使物體得到隱身，這一類地毯式隱身器件要求物體不能脫離地面，主要是基于光線的反射，參數(shù)上相對容易實現(xiàn)一些。通過許多科學(xué)家的努力，目前地毯式隱身器件已經(jīng)從微波段做到了光頻段，并且隱身的尺度也從幾個波長的大小到達幾千個波長的大小。
第二類是人們通常所理解的哈里波特式的隱身衣，可以脫離地面移動，這類隱身衣要求光線能夠繞過中間的隱身區(qū)域，參數(shù)要求更加苛刻一些，相應(yīng)的實驗工作也比較少一些。目前國際上這部分的實驗工作大部分集中在微波波段。
陳紅勝教授的工作屬于上述第二類型的隱身器件。從應(yīng)用的角度出發(fā)，隱身如要能有較好的應(yīng)用，必須要能夠工作在寬頻帶、全方向、全極化，要實現(xiàn)這個最終目標(biāo)難度非常大。陳紅勝的這項研究目前雖然還只能在幾個方向上可以有效地隱身，但是可以工作在整個可見光頻段和任意極化的光波。
(周 煒)
圖片均由課題組提供
