| 从隐身衣到“穿墙术” |
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| 罗旭东：超颖材料器件，“初看都与魔法无异” |
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今年10月，美国普渡大学的Shalaev教授在《科学》杂志对近期可能实现突破的超颖材料器件作了回顾和展望。国外媒体对此进行报道时说，哈里·波特的隐身斗篷有望在5年内变成现实。
本期关注：从隐身衣到“穿墙术”
罗旭东 博士，上海交通大学物理系副教授，从事声子晶体的理论与应用以及超颖材料器件的设计与分析方面的研究。今年，他和该系马红孺教授等人在超颖材料器件的理论研究方面取得重要进展。
图a：真空中的光线 图b：隐身斗篷效果图
千百年来，能否实现完美隐身始终是一个引人入胜的话题。隐身衣长期在科幻和魔幻作品里乐此不疲地大行其道，读者往往觉得它很神奇，但是不会把它当真。超颖材料的出现，不但让人看到了实际解决这一古老问题的希望，同时还带来了更多的惊奇。
超颖材料是指一类通过人工设计结构实现的、呈现出天然材料不具备的超常物理特性的复合材料。从几何光学的角度来看，它的引入可以使光线从一种材料进入另一种材料时，沿任意选定的方向折射。这种操控光线轨迹的能力，给了人们前所未有的自由来设计各种超乎寻常的光学器件，比如隐身衣。而借助精确的电磁散射理论，人们还发现了一些初看违背直觉的有趣结果，比如超散射体与“穿墙术”。
当代最杰出的科幻大师亚瑟·克拉克爵士在总结有关科学文化方面的经验时，曾经提出三条“克拉克基本定律”。其中第三定律说：任何足够先进的技术，初看都与魔法无异。从直观效果而言，超颖材料器件很好地诠释了这一定律。其光怪陆离的特性，给人的第一印象是类似于魔术表演；不过，这是一种无需魔术大师来实施，不但能对人眼，还能对电磁或者光学探测器达到相同“欺骗”效果的器件。
隐身斗篷
为了设计超颖材料器件，变换光学提供了一种整体设计的方法。下面以球形隐身斗篷为例，演示该方法是如何同时设计所有光线的行进方式，而各条光路之间却不会发生矛盾的。
假设真空中有两个半径分别为R1和R的同心虚拟球面（R1<<R），切面分别如图a中的圆点与大圆所示。这是一个普通平直空间，光线沿直线行进。显然，当小球半径R1趋于零时，即使这是个全反射的小球，探测光线也无法探测到它。现在对图a做这样的坐标变换：大球面以外的空间保持不变，但里面的小球半径急剧膨胀到R2，两球面之间的空间（包括里面的光线轨迹）则压缩成图b中的灰色区域。这个新图形应该如何理解？图中的光线，是否仅仅是由于换了一种坐标表示才呈现出这样的弯曲效果呢（即拓扑解释）？
光线的弯曲，除了可在由质量引起的弯曲空间中产生，也可以在非均匀电磁介质中得到，比如海市蜃楼就是源于非均匀空气层引起的光线弯曲。变换光学对图b就是采用了这样的材料解释：充满灰色区域的已不是真空，而是某种特殊材料；真空中的探测光线进入这种材料时，正好沿图中所示方向弯曲行进，最后沿原方向射出。这是一个隐身斗篷的隐身效果示意图！在这个新颖的解释中，我们所处的还是普通平直空间，但是小球的半径（即可供隐身的区域），已经从原来几乎为零的R1拓展到了R2，这使它具有了实际应用价值。
由于超颖材料可以让光线沿任意方向折射，图b中的光线轨迹是有可能在实验室实现的。那么，隐身斗篷材料的电磁参数应该如何选择呢？变换光学对此作了巧妙解答：由于两个图通过坐标变换相联系，利用坐标变换中Maxwell方程组的变换形式，就可以得到斗篷材料的电磁参数。这里需要用到一点张量变换的知识，最后得到的通常是非均匀且各向异性的超颖介质，也称为变换介质。
2006年，英国帝国理工学院的Pendry爵士用变换光学的方法提出了隐身斗篷的制造方案，同年美国普渡大学的Smith等人在微波频段获得了部分实现。浙江大学的孔金瓯等人和瑞典皇家工学院的仇旻等人，则从精确的电磁散射理论出发，对隐身斗篷的物理特性作了更细致的分析。
现在，科学家们已经提出了数种隐身斗篷制造方案。如宾夕法尼亚大学的Engheta等人、圣安德鲁斯大学的Leonhardt、犹他大学的Milton等人各自提出了隐身机制，特别是Pendry提出的基于变换光学的设计方法简洁明了，已经超出了单纯设计隐身斗篷的范围，开始大量应用于其他超颖材料器件的设计中，并获得了丰硕成果。比如旋转衣、电磁波集中器、波的移位与弯曲器件、窗户替代方案以及平板超几何透镜等。
变换光学的方法还应用到了声波的隐身问题中。利用声学超颖材料，杜克大学的Cummer等人、香港科技大学的陈焕阳和陈子亭分别提出了二维及三维声学隐身斗篷的设计方案。最近，法国的Farhat等人还设计了可对水中波浪起到隐身效果的器件，从而在理论上可以让建筑甚至某个小岛通过隐身的方式免于巨大海浪的威胁。
“穿墙术”
在前面所述的超颖材料器件中，对光线轨迹的操纵是在材料内部实现的，我们更多的是惊叹其光路设计之简洁、材料实现之巧妙。最近，上海交通大学教授马红孺领导的研究小组则发现了超颖材料的一种违背直觉的效应，为超颖材料的应用提供了新天地。
考虑真空中半径R2的虚拟圆柱。如果选择一个新坐标系，使得圆柱外的空间保持不变，圆柱内的空间被压缩到半径R1；那么，应该在R1<r<R2区域填充什么介质，才能将这环形区域内外的电磁场连接起来呢？通过折叠几何以及精确散射理论，上海交大的研究者发现，如果在半径R1<r<R之间填充合适的负折射率超颖材料，使它正好和R<r<R2区域的真空形成一对互补介质，那么就可以达到要求了。
他们同时指出，如果半径R1的圆柱具有全反射表面，则在外界电磁波中，总散射效果相当于该表面越过互补介质区域，到达半径R2的虚拟圆柱表面（视觉边界）。也就是说，虽然柱形器件的实际物理半径只有R，但是电磁波探测到的将是一个具有更大半径R2的全反射圆柱，可称之为超散射体。稍后，浙江大学的孔金瓯等人也报道了从电磁散射出发，对三维情况作的类似研究。
上海交大的研究者接着提出了这样的设想：为了开一扇门，要先挖掉墙中一块墙体，形成门洞；如果在门洞中间放置一个这样的超散射体，即它的视觉效果正好与被挖掉的墙体一样，那么它看上去就和周围的墙融为一体，让人以为那里还是一面墙。实际上，由于超散射体物理尺度比门洞小很多，物体完全可以在超散射体与门框之间的空间自由出入。这可以看成一种“穿墙术”，或者《哈里·波特》系列丛书里，学生们前往Hogwarts魔法学校时，上火车前必须穿过的9又3/4站台。数值模拟的结果完全证实了这一设想。
上海交大的研究者还进一步讨论了超散射体的一些其他应用，包括可实现物体在视觉效果上变形与移位的方案，以及与香港科技大学合作提出的反隐身方案等。
《科学时报》 (2008-12-3 A1 要闻)
