Only Perception: 科學家：隱形斗篷觸目可及

2008-08-16

科學家：隱形斗篷觸目可及

Invisibility cloak now within sight: scientists (Update 2)
http://www.physorg.com/news137649366.html

August 11, 2008

(PhysOrg.com) -- 在加州大學柏克萊分校（UCB）的科學家首度設計製造出 3D 材料，那能夠顛倒可見光與近紅外光的自然走向，此一發展將協助構成更高解析光學成像、高功率電腦的奈米電路以及讓科幻與幻想愛好者喜悅的、能使物體在人眼之前消失的隱形裝置的基礎。

超材料（metamaterials，這是一種複合材料，具有彎曲電磁波的特異能力）的二項突破性發展，分別在本週 8/13 的 Nature 與 8/15 的 Science 線上版中報告。

超材料的應用需要改變光線正常的行為。在隱身斗篷或防護罩的例子中，此材料需要讓光波完全圍繞物體，猶如河水繞著石頭流動。為了讓光學顯微鏡能分別個別的病毒或 DNA 分子，顯微鏡的解析度必須要小於光的波長。

在這種材料中的常見思緒是負折射。相較下，所有可在自然界中發現的材料都有正折射率 -- 當電磁波從某種介質行進到另一種時，被彎曲多少的一種度量。

在折射如何作用的古典描繪中，竿子在水中的部份看起來像是朝上往水面彎折一般。如果水呈現出負折射率，竿子在水中的部份看起來將會是突出於水面。或著，在另一個例子中，在水中游動的魚兒看起來將會是在水面上的空氣中移動。

其他研究團隊先前所開發的超材料能在光學頻段（optical frequencies）中起作用，但這些 2D 材料受限於某種單一單層（monolayer）的人造原子，其曲光特性無法界定。而更厚的、具有負折射的 3D 超材料，則只有在較長的微波波長中報告過。

"我們所達成的是：採用二種十分不同的途徑來挑戰大塊超材料（bulk metamaterial）的創造，那能夠在光學頻段中展現出負折射，" Xiang Zhang 說，UCB 奈米科學與工程中心的教授，由奈米科學基金會（NSF）資助，以及開發出這二種新超材料的研究團隊的領導者。"這二者均使我們在超材料的實際應用開發上向前跨出一大步。" Zhang 同時也是 LBNL 材料科學部門的專職科學家。

人類透過狹窄的、稱為可見光的電磁輻射頻帶來看世界，其波長範圍從 400 奈米（紫蘿蘭色 (violet) 到紫色的光）到 700 奈米＊（深紅光）。紅外線波長更長，大約 750 奈米到 1 公釐之間（人類頭髮直徑約 100,000 奈米）。

為了讓材料達到負折射，其結構上的陣列必須小於即將利用的電磁波波長。在較長的微波頻帶（長度可從 1 公釐到 30 公分）中有更多成功的波長操縱，一點都不讓人意外。

在 Nature 的報告中，UCB 研究者將銀層與不導電的氟化鎂層交相堆疊，並將奈米大小的魚網圖案切入各層中以創造大塊光學超材料。當波長短如 1500 奈米時（近紅外光範圍），研究者測得負的折射率。

Jason Valentine，UCB 畢業生以及 Nature 的共同作者解釋，每一對導電層與非導電層會形成一種迴路（circuits）。將各層堆疊在一起會創造出一系列迴路，那能夠共同響應出相反於入射光的磁場。

Valentine 亦提到二種材料在達成負折射的同時，將它們所吸收（或是當光通過它們時所「喪失」）的能量總量最小化。在 Nature 上描述的「魚網」材料例子中，奈米迴路的強烈交互作用讓光通過材料，而且在通過金屬層時耗費較少能量。

"自然的材料無法響應磁場或光，但我們所創造的超材料卻會，" Valentine 說。"那是頭一個能被形容為具有光學磁性（optical magnetism）的大塊材料，故光波中的電場與磁場都能在材料中向後移動。"

在 Science 論文中所描述的超材料採用另一種方法達到向後彎曲光線的目標。那是由在多孔氧化鋁中生長的銀奈米線所構成。雖然此結構比一張紙還要薄上約 10 倍 -- 打個噴嚏就能把它吹走 -- 但它還是被視為一種大塊超材料，因為它比光的波長大小要多上 10 倍。

Science 論文的作者們在短如 660 奈米的紅光波長中觀察到負折射。這是大塊介質使可見光向後彎曲的第一個證明。

"垂直奈米線的幾何學，那彼此等距且平行，被設計成只響應光波中的電場，" Jie Yao 說，UCB 應用科學與技術畢業計畫中的學生，Science 論文中的共同第一作者。"磁場，那在光波中以垂直於電場的角度振盪，實質上看不見垂直的奈米線，這種特徵顯著減少能量的損失。"

研究者說，這種奈米線材料的創新在於，它發現一種使光線向後彎曲而無須在技術上達到負折射率的新方法。超材料為了具有負折射率，其介電常數（permittivity，傳送電場的能力）與導磁係數（permeability，它如何響應磁場）的值必須均為負。

擁有真正負折射率（例如 Nature 論文中，魚網超材料所實現的那一種）的利益是，它能夠透過減少干擾，大幅改善天線的性能。負折射率材料也能夠逆轉都卜勒效應（Doppler effect，此現象用於警察的雷達槍中以監測通過車輛的速度），故接近時聲音的頻率會減少而非增加。

研究者表示，對於超材料所招徠的大部分應用而言，例如奈米尺度光學成像或隱形裝置，奈米線以及魚網超材料有可能扮演一種關鍵的角色。

Zhang 表示，這二種材料最引人矚目的是，它們都能夠在廣泛的光學波長中作用，且具有較低的能量損失。他表示他們開創了開發超材料的新方法，那不在使用先前設計所根基的共振物理學。先前的超材料在光學範圍中必須要在某種頻率上振動以達成負折射，這導致較強的能量吸收。在奈米線與魚網超材料中，共振並不是一種要素。

雖然研究者欣然接受超材料在光學波長上的這些新發展，但他們也告誡說，他們仍離隱形與其他能引起想像的應用還很遙遠。例如，不像 Harry Potter 小說中著名的隱形斗篷，這裡所敘述的超材料是以金屬製成且易碎。發展一種方法能大規模製造這些材料也將是種挑戰。

不管怎樣，研究者表示在光波長中以大塊超材料達成負折射率是在追尋這種裝置中一個重要的里程碑。

※ 相關報導：

＊ Three-dimensional optical metamaterial with a negative refractive index
http://dx.doi.org/10.1038/nature07247

Jason Valentine, Shuang Zhang, Thomas Zentgraf,
Erick Ulin-Avila, Dentcho A. Genov, Guy Bartal & Xiang Zhang
Nature advance online publication 11 August 2008
doi: 10.1038/nature07247

＊ Optical Negative Refraction in Bulk Metamaterials of Nanowires
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/321/5891/930

Jie Yao, Zhaowei Liu, Yongmin Liu, Yuan Wang, Cheng Sun,
Guy Bartal, Angelica M. Stacy, Xiang Zhang
Science 15 August 2008: Vol. 321. no. 5891, p. 930
DOI: 10.1126/science.1157566