隱身真的能實現(xiàn)嗎？不用超材料也可實現(xiàn)隱身

科學家發(fā)現(xiàn)，當材料介電常數(shù)和磁導率滿足一定關系時，電磁波在介質(zhì)中會沿給定的曲線傳播，并且不產(chǎn)生反射，從而模擬出扭曲的時空。這意味著人類可以通過精確設計，實現(xiàn)對電磁波的自由操控。通過借鑒變換光學理論，科學家預言了熱隱身斗篷：即利用人為改造微結構的超材料，改變波的傳播路線，使其繞過物體，從而使該物體隱身。

春節(jié)假期將近，北京環(huán)球度假區(qū)即將迎來大波游客，在其一眾主題園區(qū)中，哈利·波特的魔法世界擁有眾多擁躉。如果要問魔法世界中的什么最吸引人，也許很多人的回答是：隱身斗篷。

在武俠或者科幻題材作品中，關于隱身術的描繪總令人浮想聯(lián)翩，成為許多人幻想擁有的超能力。若能在茫茫人海中隱匿自己，或利用隱身術制造一些空中懸物的“惡作劇”，光想想就很酷。那么，是否有什么手段和方法能讓我們?nèi)缭笇崿F(xiàn)隱身呢?從科學角度來說，答案是肯定的。

隱身術即“低可探測技術”

從某種程度上說，隱身術已經(jīng)較為成熟地應用于軍事領域。不過這里所說的隱身術準確來說應該叫“低可探測技術”，即利用各種不同的技術手段來改變目標物可探測性信息特征。

此類技術手段包括采用獨特設計的吸波、透波材料降低目標物對電磁波、光波的反射;采取隔熱、散熱措施減弱目標物的紅外輻射;通過折射光線使人眼無法察覺目標物，使其降低被發(fā)現(xiàn)的可能;在軍用飛機、艦艇、火箭彈上采用雷達隱身材料、紅外隱身材料等使目標物躲過偵查儀器，實現(xiàn)隱身效果等。

不過此類隱身與人類所暢想的隱身超能力尚有差別，畢竟要實現(xiàn)人的隱身需要躲過的不僅僅是各類偵查儀器，還要躲過最精密的人眼，技術難度可想而知。

隱身材料是研發(fā)關鍵點

2006年，英國帝國理工學院的物理學家約翰·彭德里等人分別提出了電磁隱身斗篷的理論，受到人們廣泛的關注。

科學家發(fā)現(xiàn)，當材料介電常數(shù)和磁導率滿足一定關系時，電磁波在介質(zhì)中會沿給定的曲線傳播，并且不產(chǎn)生反射，從而模擬出扭曲的時空。

這意味著人類可以通過精確設計，實現(xiàn)對電磁波的自由操控。通過借鑒變換光學理論，科學家預言了熱隱身斗篷：即利用人為改造微結構的超材料，改變波的傳播路線，使其繞過物體，從而使該物體隱身。

自此，隱身衣的研制開始成為電磁學、物理學、光學、材料科學及交叉學科最前沿和最熱門的研究領域之一。基于超材料支撐的變換光學也成為物理學界的熱門話題。

根據(jù)理論，隱身材料是隱身技術發(fā)展的關鍵。約翰·彭德里此前在接受媒體采訪時表示，變換光學器件需要的材料參數(shù)對于天然材料來說相當苛刻，甚至難以實現(xiàn)，超材料為實現(xiàn)變換光學器件制備提供了更簡易的可能。可以說，超材料的出現(xiàn)和發(fā)展，推動了在隱身研究領域中廣泛傳播的制作隱身斗篷的熱情。

理想狀況下，人為調(diào)節(jié)參數(shù)一定可以設計并制造出性能特異的吸波材料，從而設計和實現(xiàn)許多具有不同功能的器件，例如隱身斗篷、光學錯覺裝置、旋轉器等。但實際操作中，為了實現(xiàn)隱身效果，通常需要簡化電磁參數(shù)以避免電磁參數(shù)出現(xiàn)無限大或負數(shù)的情況，且還需要用復雜結構等效出梯度折射率材料，這些過程需要昂貴的光刻技術和繁瑣的制造方法，并且最終的實際效果也會因存在種種局限而大打折扣。因此，超材料真正成為隱身材料還有一定的距離要走。

不用超材料也可實現(xiàn)隱身

面對超材料目前存在的局限性，科學家們又有了新突破。

近日，廈門大學物理科學與技術學院陳煥陽課題組聯(lián)合其他研究人員在研究中發(fā)現(xiàn)，使用一種常見的二維天然材料三氧化鉬(α-MoO3)制造隱身裝置，可以達到超材料實現(xiàn)的隱身效果。這意味著，未來制造隱身設備的門檻會大幅降低，許多科幻電影、小說中描述的情形將有望在現(xiàn)實中出現(xiàn)。該研究成果發(fā)表在國際期刊《納米光子學》雜志上。

研究人員發(fā)現(xiàn)，當把三氧化鉬薄片卷在圓柱形光纖上時，在中紅外電磁照明下的物體從視覺上消失了。這項最新模擬計算表明，天然材料三氧化鉬具備超材料的特性，無需復雜加工即可成為理想的隱身材料。

陳煥陽解釋，達到結構的法布里—珀羅共振的光能夠以極小的散射通過三氧化鉬隱身聚光器傳播，并且能量在中心處得到加強，達

到隱藏電磁照明下的物體的目的，即隱身。“三氧化鉬把光沿著一定方向擠壓進內(nèi)核，相當于把光抓進了物體內(nèi)，如果折射率和阻抗匹配，就感覺內(nèi)核不存在，產(chǎn)生了隱身的效果。”陳煥陽說。

此外，利用三氧化鉬代替超材料制造的新興隱身器件在特定光源位置還表現(xiàn)出錯覺效應，使得人無法通過外場判斷光源的真實位置。

天然材料優(yōu)勢多多

“這是二維材料首次被用于變換光學器件的設計，通常我們需要超材料，但這次要簡單得多。”陳煥陽介紹，人們通常認為，實現(xiàn)完美的隱身效果很大程度上要依賴人造材料，這次實驗的成果為天然二維材料替代超材料制造隱身器件提供了新的可能。而且相比超材料，這種材料具有更多價格和制作上的優(yōu)勢。

除此之外，傳統(tǒng)的超材料存在跨尺度制備難題。比如超材料人工原子為納米結構，因此毫米尺寸器件涉及跨尺度制備，其計算、設計和制備都非常困難。而真正投入應用的隱身器件例如隱身斗篷，其尺寸一般更大，制備難度可想而知。利用二維層狀材料，特別是具備光學各向異性的二維層狀材料，作為類似人工超材料的基本構筑單元，可以突破跨尺度制備難題。

該研究結果表明，雙曲材料作為變換光學的新的材料基礎，可以產(chǎn)生更多超越隱形聚光器的新納米光子概念，如多頻超散射、變換等離激元學等。

這項研究在初步實驗中取得令人滿意的結果，不過仍然處于驗證階段。“各向異性和漸變是超材料的特性，也是變換光學所需要的，如果二維材料也能實現(xiàn)類似的調(diào)控，將是一個非常有前景的領域。”陳煥陽介紹，在一些研究人員合作進行的另一項研究中，研究人員合作構筑的疊層結構，已經(jīng)可以通過控制兩片三氧化鉬晶體的疊層轉角，從光學上實現(xiàn)從橢圓色散到雙曲色散的各向異性連續(xù)調(diào)控。雖然目前漸變調(diào)控還存在困難，但相信不久的將來，這些難題能夠被攻破。

研究人員表示，如果這些科學問題都能解決，也許可以催生一個變換等離激元學的新研究方向。這些課題目前都是偏應用基礎性的研究，在產(chǎn)業(yè)和商業(yè)化應用上還有相當長的一段路要走，但毋庸置疑，新材料及其新特性的發(fā)現(xiàn)一定會帶來一些新的應用。(本報記者 符曉波)

關鍵詞： 隱身斗篷 隱身材料 超材料 低可探測技術