【博科園-科學科普】只要人類一直在寫關(guān)于幻想、神話和科幻小說，隱形的夢想一直是最優(yōu)先被選用的。雖然《星際迷航》把隱形裝置的概念帶入到大眾的意識中，但我們最近的發(fā)現(xiàn)卻是對隱形技術(shù)的發(fā)展。

一個物體擁有讓周圍的光線彎曲并且照射到物體背面的能力。來自任何角度和距離的射入光都可能由于超材料、納米和轉(zhuǎn)換光學的結(jié)合而變得真實。圖片版權(quán)：University of Rochester

對雷達的隱身，即長波的電磁輻射可能是第一步，但最近對超材料的開發(fā)使這一目標更進一步，在一個物體周圍使光線彎曲而且無法被探測到。一種叫做寬帶消色差金屬的新型材料首次覆蓋了整個可見光光譜。這種技術(shù)與超材料隱身技術(shù)的融合可以使第一個可見光隱身裝置的產(chǎn)生成為可能。

通過在一個物體周圍彎曲光線，科學中的轉(zhuǎn)換光學可以使三維隱身裝置首次運轉(zhuǎn)。金屬化的新進展如果能成功應(yīng)用，就可以將隱形衣擴展到光譜的可見光部分。圖片版權(quán)：Hyperstealth Biotechnology

在正常情況下，當用任何波長的光線照射任何物體時，典型的結(jié)果是光線被吸收或被反射。如果光線被吸收，那么任何背景光和信號都會被遮蓋，提醒你注意它的存在。（換句話說，這個物體不會是透明的）如果光線被反射，發(fā)出的任何信號都會被反射回來，照亮這個物體直接觀察它。

當隱形技術(shù)將反射率降至最低時，一個真正的“隱身裝置”會將物體周圍的光線從四面八方轉(zhuǎn)移開，這樣一來，任何地方的人都只能看到背景信號，仿佛隱藏物體根本就不在那里。

十多年前，第一個從一個特定角度觀察物體時會隱藏物體的2D斗篷被開發(fā)出來。今天科學家正致力于一件真正的3D斗篷。圖片版權(quán)：Igor Smolyaninov / University of Maryland

一種特殊的多層涂層，被稱為超材料的物質(zhì)已經(jīng)被開發(fā)出來。它能使電磁輻射在物體周圍自由傳遞，這不同于光通過一種透明材料的傳播方式。超材料的結(jié)構(gòu)引導物體周圍的光，使光不受干擾地朝著它到達的方向移動。從2006年開始，轉(zhuǎn)換光學的科學使我們能夠?qū)⒁粋€電磁場映射到一個旋轉(zhuǎn)的三維網(wǎng)格上；當網(wǎng)格被扭曲時，磁場也會被扭曲，在正確的配置下，內(nèi)部對象可以被完全隱藏。通過適當?shù)乜刂茝澢筒粡澢饩€的數(shù)量，物體可以被特定波長的光隱藏起來。截止到2016年，一件7層的超材料的覆蓋范圍從光譜的無線電部分一直延伸到紅外線部分。

左：無限長的PEC圓柱的橫截面，受平面波的影響，可以觀察到散射場。右：2維斗篷運用轉(zhuǎn)換光學技術(shù)設(shè)計來遮掩圓柱體。在這種情況下沒有散射，圓柱體是電磁隱身的。圖片版權(quán)：Physicsch / Wikimedia Commons

與超材料有關(guān)的是金屬的領(lǐng)域。大多數(shù)你能制造出的透鏡的正常材料具有與棱鏡相同的色散特性：當光線通過棱鏡時，光線會減慢。但是不同波長的光變慢的速度不同，這就是為什么當光穿過介質(zhì)時，會產(chǎn)生“彩虹”效應(yīng)，因為紅光的傳播速度與藍光不同。涂層可以應(yīng)用在精細的鏡頭上，以盡量減少這種色差效應(yīng)，但它還是會存在一定的色差?，F(xiàn)代相機使用多個鏡頭來盡可能地消除色差，但它沉重、龐大、昂貴，而且不是百分之百的成功。

白光通過棱鏡時的行為表明，不同能量的光在介質(zhì)中以不同的速度運動，除了通過真空。圖片版權(quán)：University of Iowa

一種理想的金屬是不管波長如何，都能形成波鋒，即使是最小的尺度，也可以將光聚焦到一個點上。一種非常薄的金屬(在一定次序下的單一波長光)，它們很容易被制造，而且可以將各種波長的光匯聚在同一點上。最近發(fā)表在《自然納米技術(shù)》上的重要科技成就應(yīng)用了鈦基納米鰭。根據(jù)入射光的波長，這些納米鰭將引導光線穿過材料的不同部分，使其能夠精確地彎曲，在并且我們需要的地方結(jié)束。

通過與這種新金屬相關(guān)聯(lián)的新技術(shù)，光譜上的光可以聚焦到一個點上，這實質(zhì)上是消除了色差。圖片版權(quán)：Jared Sisler / Harvard SEAS

馬上就可以制造出一個更便宜，更輕，更有效的鏡頭。魏婷(音譯)解釋說：通過將兩個納米鰭結(jié)合成一個元素，可以調(diào)整納米結(jié)構(gòu)材料中光的速度，使用單個金屬可以確?？梢姷乃胁ㄩL的光都能聚焦在同一個點上。相比于復合標準的消色差透鏡，這大大降低了透鏡的厚度和設(shè)計復雜性。雖然這些金屬材料可以直接應(yīng)用于照相機、VR設(shè)備、顯微鏡及其他醫(yī)學和輔助技術(shù)，但金屬材料/納米材料與超材料的長期融合可能正是隱形裝置所需要的。

現(xiàn)實生活中的斗篷所面臨的最大挑戰(zhàn)是如何將各種波長的物體結(jié)合在一起，因為斗篷的材質(zhì)必須使適當數(shù)量的光從點對點變化到彎曲然后伸直。根據(jù)迄今為止發(fā)現(xiàn)的材料，還沒有設(shè)法用一件斗篷穿透光譜的可見光部分。然而在金屬方面的新進展似乎表明，如果可以用一個單一窄的波長做到，可以應(yīng)用這個納米技術(shù)來極大地擴展覆蓋波長的范圍。第一個應(yīng)用這個技術(shù)的消色差透鏡透鏡幾乎覆蓋了全部的可見光光譜(從470到670 nm)，并且隨著超材料的發(fā)展，可見光隱身裝置將成為現(xiàn)實。

使光線彎曲并把它聚焦到一個點上，不管波長如何，或者它在表面上發(fā)生了什么，都是通往真正的隱身裝置的關(guān)鍵一步。金屬和超材料的結(jié)合可以使這個科幻夢成為現(xiàn)實。圖片版權(quán)：M. Khorasaninejad et al., Nano Lett., 2017, 17 (3), pp 1819–1824

就在幾年前，有人推測，現(xiàn)實生活中的隱形斗篷只適用于少數(shù)幾種特定配置的窄波長。人們認為，大的、宏觀的物體被隱藏在一個巨大的波長范圍內(nèi)是不可思議的。今天，隨著金屬的進步，通過引導不同波長的光到達合適的位置可以獲得不失真的結(jié)果是我們強烈渴望的，也許這正預示著一個真正的隱身裝置的到來。正如《星際迷航》(Star Trek)最初設(shè)想的那樣，隱身技術(shù)的完善需要幾個世紀的時間。在地球上，這可能只需要一二十年。如果這種最新的金屬材料可以迅速應(yīng)用于超材料斗篷，一種光學的、三維的隱身裝置可就能在人類不久的將來現(xiàn)實。

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