今年过节不收礼，收礼就收…“隐身衣”

制作:中国科普

作品:中国科学院物理研究所科学传播协会

生产者:计算机网络信息中心

“哈利，醒醒！来吧，哈利，醒醒！”匆忙的哭声惊醒了还在睡觉的哈利·波特。他抓起眼镜，急匆匆地下楼到阁楼，等待圣诞礼物

电影《哈利·波特与魔法石》

“这是一件隐形斗篷！”罗恩正在吃爆米花，下巴掉了下来。“我的身体不见了！”哈利觉得难以置信...每次看到这一幕，我总是想象着自己什么时候会有这样的礼物，直到有一天，一条消息让我眼前一亮:

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这是2013年浙江大学陈洪生教授团队与新加坡南洋理工大学等国际团队合作的研究成果。他们使用一组组合的六角玻璃棱镜来实现中间通孔中物体的不可见性。

陈，h等(2013)。"在非相干自然光线中用于大型物体的光线光学隐形装置."Nat Commun 4: 2652。

实现隐形的想法其实并不复杂。水中的鱼在进入通孔之前不能被看见的原因是，当来自各个方向的光到达金鱼时，它被反射、散射或阻挡。我们可以通过反射、散射或阻挡的光线感觉到鱼的存在。然而，如果我们能让光线在金鱼周围通过，并尽量减少金鱼对外界光线的影响，我们就能实现金鱼的不可见性。

陈，h等(2013)。"在非相干自然光线中用于大型物体的光线光学隐形装置."Nat Commun 4: 2652。

研究人员还利用这一思路设计了一种由玻璃(折射率1.78，图中白色区域)和空气(折射率1，图中深蓝色区域)组成的柱状“隐身衣”，它仅适用于水中物体的隐形(折射率1.33，图中浅蓝色区域，外部区域和内部通孔)。隐形的目标可以通过设计合适的玻璃和空气部分的尺寸来实现。

在2006年发表在《科学》杂志上的一篇文章中，通过控制电子磁场首次提出了这样一个奇妙的设计理念。来文提交人是英格兰帝国学院的彭德利。那么，他们有什么机会提出这样的设计理念呢？文章给出了答案——元材料，元材料。

呃...什么是超材料？

它的英文单词超材料，其中拉丁词根“meta-”具有“超越和替代”的意思，这意味着这种材料具有传统材料在自然界所不具备的特性。就该领域目前的发展状况而言，这些特性可以是力学、热学、光学、电磁学等。任何属性都可以以此属性命名，如“电磁超材料”、“声学超材料”和“机械超材料”...其中，“电磁超材料”是超材料的鼻祖，也是当前研究者研究的焦点。

让我们以电磁超材料为例。它们大多由一系列按周期或一定规则排列的电磁谐振单元结构组成。这些电池通常由普通材料制成，如金属或电介质。在经典电动力学中，我们使用介电常数ε和磁导率来描述材料的宏观电磁特性，而在超材料概念中，当元件的尺寸远小于入射波长时，我们也可以使用有效介电常数εeff和有效磁导率eff来描述超材料的宏观电磁特性。细胞结构是超材料的灵魂。通过在结构上设计它们，我们将获得谐振单元的固有材料所不具有的介电常数和磁导率，从而实现奇怪的电磁现象，例如负折射率材料:

1967年，维克多·维塞拉戈在理论上首次提出了具有负介电常数和负磁导率的“负折射率材料”。早在1999年，彭德里就已经证明了金属线和开口谐振环结构(C形)可以分别实现负介电常数和磁导率。

J.彭德利等(1999)“导体的磁性和增强的非线性现象。”《微波理论与技术》，47(11)，2072084

直到2000年，史密斯等人使用由这两种结构组成的阵列在微波波段同时实现了负等效介电常数和负等效磁导率，这在2003年得到了实验验证。

R.谢尔比，史密斯，舒尔茨，(2003)“一个否定的实验验证

折射率”，科学292，77

当介电常数和磁导率都为负时，电场E、磁场H和波矢K之间的关系不再满足右手螺旋定律，而是满足左手定律，所以这种材料也称为左手材料。类似地，通过调节等效介电常数和磁导率，不仅可以获得负折射率，而且可以控制电磁波的传播方向和路径，使得光可以继续在障碍物周围传播，这就是所谓的隐身材料。

2006年，D. Schurig等人利用环形铜开口谐振环结构设计了相应的εeff和eff来重塑光的轨迹。放置在中心的铜环成功地在微波波段隐形了。

D.Schurig等人(2006)，“微波频率下的超材料电磁斗篷”，科学，314，997

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我们知道可见光和微波是电磁波，但是可见光的波长比微波小得多。如果我们想制备在可见光范围内工作的超材料隐形斗篷，我们将不仅面临减小谐振单元尺寸的问题，因为在极高的谐振频率下，谐振单元的谐振会饱和，同时会有巨大的电磁损耗。

因此，前面提到的可以让小金鱼在可见光下不可见的六棱柱并不使用超材料——它仍然使用传统材料，但是这种电磁波传播控制的思想与超材料是一样的。并非所有超材料都必然优于传统材料，但超材料的出现为我们控制电磁波提供了更多的可能性。此外，在超材料的发展过程中，许多理论和观点得到了发展。这些想法的火花是我们科学进步的动力来源。

也许就目前的技术而言，我们不能像小说和电影中描述的那样制造隐形斗篷，但是...还有一个梦。也许在一年的第一个月的第一天，当我们从鞭炮声中醒来时，真的会有一件“隐身衣”在等着我们，然后“请好好使用它！”

电影《哈利·波特与魔法石》