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表面和界面

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如何使物体不可见

忘了哈利·波特和他的“隐形斗篷”-英国和美国的理论物理学家提出了一种使物体不可见的聪明方法。这将涉及用“超材料”围绕物体,“超材料”是一种具有异常电磁特性的复合材料。根据研究人员的说法,入射到材料上的光线会在物体周围弯曲,然后以与开始时完全相同的方向出现在另一侧。尽管这项工作只是理论上的,但研究人员认为,无线电波不可见的材料可以在五年内生产出来。

超材料由微小的杆,金属环的集合体等组成,是一种人工结构化的复合材料,该材料最初由现任杜克大学的David Smith及其同事于2000年制造。与众不同的是它们具有负折射率–也就是说,他们在“opposite”普通材料的方向。它们的电磁特性也可以“tuned”通过操纵它们的精确结构。

伦敦帝国学院的约翰·彭德里—与Smith和他的杜克大学同事David Schurig合作—现在已经展示了超材料如何在其中的孔周围引导光。放置在该孔内的任何物体都将是“hidden”因为光线无法到达它,您将能够看到物体后面,就好像它不在那儿一样。来自一个方向的所有光线都将在孔周围传播,然后重新组合,就好像什么都没有了一样,有点像水在岩石上流淌。英国圣安德鲁斯大学的乌尔夫·莱昂哈特(Ulf Leonhardt)独立工作,也得出了相同的结论。

新的计算涉及在材料中放置一个孔,然后使用Maxwell进行计算’s方程,材料将需要转移其周围的光的什么属性。为了做到这一点,必须对材料进行设计,以使光线远离孔的传播相对较慢,而靠近孔的传播则较快。 (实际上,当光沿着孔本身的表面掠过时,光将必须无限快地传播,尽管只要辐射在一定频带内,这不会违反相对论。)超材料将使这种视觉成为现实,因为它们可以设计成使折射率—因此光速—随点而异。

尽管新结果只是计算结果,但研究人员希望其他人可以制造出能够产生所需光速变化的超材料。这可能并不像听起来那样困难,因为物理学家已经知道如何设计对无线电波具有这种特性的超材料。确实,“cloaking”研究小组说,用于电磁频谱这部分的设备可能会在短短五年内出现。这样的设备在国防和无线通信中可以有各种各样的应用。

“这项研究表明,如果对材料的电磁或光学特性没有限制,电磁或光学仪器可以做什么,” says Leonhardt. “实际上,当然存在局限性。这项研究可能会激发超材料研究的新潮流。”


有趣的是,新计算的灵感来自弯曲空间的几何形状—在广义相对论中,通常由研究人员坚定地执掌的一门学科。“在这里,我们有一些示例,其中广义相对论在电气或光学工程和纳米技术中得到了实际应用,” says Leonhardt. “Isn’t that surprising?”

舒里格对这项新工作同样感到兴奋。“我们有一个新的范例来设计与电磁波相互作用的设备,” he says. “不可能想象由此产生的所有应用程序。”

版权©IOP 出版 Ltd和个人贡献者的2021年