浙大科學(xué)家制造出可見光波段生物隱形器件，專家點評——
披上一件隱身斗篷，在人們的視野中瞬間遁形，這是人類長期以來的夢想之一。日前，一只貓和一條金魚比人類提前“享用”了一種隱身衣。10月24日，浙江大學(xué)國際電磁科學(xué)院陳紅勝教授課題組在《Nature Communications》上發(fā)表的一篇論文報道了該課題組的最新進展，他們與新加坡南洋理工大學(xué)張柏樂教授等研究團隊合作，使用玻璃制造出了可見光波段的生物隱形器件。
讓光線轉(zhuǎn)彎
要研究“隱形”，就要先明白物體為什么會“顯形”：當(dāng)電磁波照射到物體上時，會在物體上發(fā)生散射。散射的電磁波被人眼等“感應(yīng)器”接收，就能識別那里存在物體。“目前應(yīng)用的隱身技術(shù)，大部分是通過吸收電磁波，讓反射回去的電磁波達(dá)到最小，但這種技術(shù)并不是人們通常所理解的隱身。”陳紅勝說。
2006年，英國帝國理工學(xué)院Pendry等在Science上發(fā)表文章，提出了利用坐標(biāo)變換的方法設(shè)計隱身衣，既不反射也不吸收電磁波，使電磁波能夠繞過被隱身的區(qū)域，按照原來的方向傳播，從而可以使物體完全隱形。這是隱身衣設(shè)計的“殿堂級”理論，奠定了隱身衣研究的理論體系。它的核心思想是，通過材料表面折射率的改造，讓光線“轉(zhuǎn)彎”繞過物體按原方向傳播，就能將物體隱藏。此后，隱身衣的研究得到飛速發(fā)展，近年來成為電磁學(xué)、物理學(xué)、光學(xué)、材料科學(xué)及交叉學(xué)科非常前沿和熱門的研究領(lǐng)域之一。
“就像小溪里的流水，經(jīng)過一塊石頭時，溪流會繞過石頭后再合攏了繼續(xù)向前，就像沒有遇到過石頭一樣。進入隱身衣的光線要繞過物體，所以走過的路徑長；沒有進入隱身衣的光線是一條直線，走過的路徑短。完美的隱身衣要求所有的光線保持相同相位，因此進入隱身衣的光線必須跑得比外部光線快，這就要求隱身衣的材料對不同光線具有不同的折射率。”陳紅勝說，要實現(xiàn)Pendry“完美隱身”的理想，要非常精密的納米加工技術(shù)，目前還無法實現(xiàn)，我們必須進一步對理論進行簡化，才有可能在不同的電磁波頻段里研發(fā)出可以實用的“隱身衣”。
聚焦可見光波段
陳紅勝課題組近兩年的研究，聚焦如何在可見光波段實現(xiàn)物體隱形，也就是說，怎樣讓物體在人的肉眼前遁形。他們提出了一種可見光波段多邊形隱身衣的設(shè)計方法，通過均勻線性變換的方法，設(shè)計并簡化了隱身衣的各個部分的參數(shù)，對于隱身衣從理論走向?qū)嵱闷鸬搅舜龠M作用。
“人眼對光線的相位和略微延時并不敏感，”陳紅勝說，結(jié)合這一特性，他們對Pendry提出的理論體系進行進一步簡化，剔除理論中“光線保持相同相位”的條件，這樣，“隱身器件能夠使用更加易得的材料，也不需納米級工藝雕琢，降低了隱身衣的設(shè)計和實現(xiàn)難度。”
2012年，陳紅勝課題組用一種自然界存在的雙折射晶體研發(fā)了一套柱形隱身器件，實現(xiàn)讓一根筷子粗細(xì)的物體隱形。“但是這種材料的尺度很小，且只能對某個極化的光才可以隱形，又無法大規(guī)模制備，我們需要進一步研究適用于大尺度器件的材料和方法。”課題組成員、博士生鄭斌說。
2013年，通過進一步的理論分析，課題組對隱身器件的參數(shù)進行優(yōu)化，并選用在工業(yè)上可以大規(guī)模制備的一種玻璃作為隱身衣的材料，將隱身衣的“尺寸”擴增到直徑分米量級以上，并且可以在任意極化的自然光下隱身。實驗顯示，一只蹲在六邊形隱身裝置的小貓，在特定的某個角度，光線可以直接繞過小貓，并回到原來的路徑出射。為了探究隱身衣對不同生命環(huán)境的適應(yīng)性，課題組還研發(fā)了一組適用于水中隱形的裝置：金魚游進這件“隱身衣”，身后的物體仍然一覽無余。“這意味著隱身器件不僅能夠隱藏像貓、魚這樣大的物體，生物還能和隱身器件一起活動，隱身效果并不會因此受到影響。”陳紅勝說。