“超材料吸引我已經很久了。倘使你并不太知道什么超材料，很簡單，它就是讓隱形斗篷成為現實的材料。不幸的是，我已厭倦了寫關于隱形斗篷的發展歷程，也早已停止了關注。”

    以上是來自德國卡爾斯魯厄理工學院的Martin Wegener的2017年Physics@FOM會議的開場演講。他在光學領域具有很高的聲譽，但是為了這次演講，他采用散射的方法來闡述超材料如何應用于實際，以及如何利用超材料設計新功能并引入其他簡單的材料中，而這些材料將會應用到未來生活的幾乎所有方面。

    什么是超材料

    超材料描述起來既非常簡單又非常復雜。簡單的層面來說是非常簡單的：混合兩種材料來得到一種具有特定性能的新材料。但如果借用Wegener的類比，想象我們拿兩種材料，一種像鉛一樣致密，另一種則像空氣一樣稀疏。如果通過在鉛棒中鉆孔混合兩種材料。最后新材料的密度會處于鉛和空氣中之間。但是對于超材料而言，這種結合能夠實現神奇的性質——密度可以比鉛的更大或者比空氣更小。

    這就是復雜性所在。沒有材料的簡單結合能做到這樣。取而代之，你所必須考慮的問題則是你更為感興趣的現象。在剛才密度的例子中，為了聲波的傳播我們也許會關心密度。為了創造一種特定的材料以發聲，我們需要混合鉛和空氣，將其聲波的波長控制在某一范圍之內。

    近些年來，得益于兩個觀點，超材料領域取得了突破。

    空間彎曲

    第一個想法源于廣義相對論。在廣義相對論中，我們認為空間是可以彎曲的，其曲率隨物體質量增加。當飛過空間時，雖然是直線運動，但由于空間的曲率，在通過一個更重的物體時會沿著復雜的路徑進行。換句話說：我總是采取兩個位置之間的最短路徑。在飛機上，這是一條直線；在彎曲的空間中，它是一個彎曲的軌跡。

    這有什么幫助呢？想象一下，我想在空間中創建一些不可見的區域。為了防止光線與物體相互作用，我必須確保所有路徑都圍繞該區域彎曲，以使它看起來沒有隱藏區域存在。廣義相對論告訴我們這種表面的形狀，并且電磁方程和廣義相對論之間的聯系告訴我們在空間中的每個點處需要什么材料特性才能產生與曲率等價的結果。

    所以，原則上，所有以前難以想象的光路都可以被創建，包括隱形斗篷。

    斷層掃描沒有用（不過別告訴你的醫生）

    第二個想法來自斷層掃描。每當你從超聲波獲得3D圖像時，圖像都是利用被成像物體外部檢測到的聲波重新構建的。根據Wegener而言，在斷層掃描中一個長期存在的問題是“這種重建是獨一無二的嗎？”

    現在，因為它起作用，所以大家都相信這是獨一無二的。但是幾年前，數學家證明了這是絕對不可能的。證明的核心是無論空間如何彎曲或拉伸，方程的特定形式是會維持不變的。這意味著斷層攝影重建可能被隱藏的區域欺騙。

    關鍵方程無處不在：它適用于聲波，熱傳播，光和量子力學。你命名物理學，而Wegener可能會告訴你這種類型的方程式如何出現。這樣，理解拉伸空間的概念并把它應用到幾乎任何領域的理想性質的產生都是非常容易的。然后，您可以使用此等價性來確定材料的屬性如何變化，以獲得預期的行為。

    隱藏物體的運動

    自從有這一啟示以來，Wegener已經采取了各種各樣的方式成功隱藏了很多東西。不只是在“嘿，這好酷”的方式中取得成功，也在“你能擴大它，并把它放在我的設備上嗎？”的方法中獲得成功。

    有很多驚人的例子，我不想把它變成一個列表，所以我只討論三個。Wegener展示了如何防止熱量進入物體。現在你可以認為這只是絕緣，但事實上它不是。在絕緣體的邊緣，存在一個溫度梯度。這些梯度會以某種方式扭曲物體周圍的溫度場，如果你要測量溫度，你會發現那必須是處于中間區域的對象。

    由銅（高熱導率）和塑料（低熱導率）環組成的超材料，它引導隱藏的物體周圍的能量流，使得在所有面上，溫度梯度看起來就好像在熱源和冷卻槽之間沒有物體一樣。

    你可能認為這沒有太多的用途，但在許多情況下，一些不被允許過熱的關鍵組件必須位于熱源附近。對于熱源的壽命，需要良好的導熱性以清除熱量。這種特殊材料在某種程度上實現了這一目標。它允許熱量不受干擾地在其周圍流動，并且不允許熱量進入中心部分。

    另一個例子和光相同。在這種情況下，外殼由高度散射和高度透明的材料組成。在幾納米的尺度上，想想夾在玻璃層之間的油漆層。該結構將引導包圍外殼部分的光。這種技術是如此強大，它已經擴大到你可以握在手中的物體，而Wegener演示了在非實驗室設置時工作的情況。然而，該演示涉及將物體放置在半透明介質中（認為是一個部分不透明的浴室窗口）。所以，這種情形下可以工作，但我認為它無法在一個清晰的窗口中工作。（提個醒，你是怎么知道并且想到它的呢，一旦他們把設備放在實驗室的長凳上，他們又怎么再找到它呢？）

    另一方面，這已經很好的應用，以使得覆蓋在太陽能電池板前面的導電電極有用。 并且，在復雜的光學環境中，像大的OLED屏幕的前面，如果電極不是那么大，它也可能工作。

    聲波是更具挑戰性的。這是因為固體材料支持三種類型的聲波：材料內部聲波前后移動的縱波（這些是穿過空氣行進的類型）和聲波從一側到另一側移動的兩種類型的剪切波。這些只能穿過固體。問題是創建一個結構，只適用于一種類型的波，而對另外兩種類型不起作用。關鍵問題是，如果縱波靠近掠射角，從觀察者的視角來看，它既像剪切波又像縱波。所以任何材料都對所有波起作用。

    為了使某物對聲波起作用，Wegener必須創造一種不支持剪切波的固體材料。可以通過把針連接在一點上來創造一個晶格，不能按照舊的方法簡單堆疊針，必須要以一種特定的結構（鉆石狀）。結果很好并且可以傳輸縱波。 然而，針連接的點不耐側向運動，因此剪切波迅速消失。在邊界和缺陷處產生的剪切波分量被結構吸收。

    該材料還必須被構造成可以引導剩余的縱波。最后，你需要一個超材料中的超材料。 結果是，物體既屏蔽縱向波又屏蔽剪切波，其中縱波圍繞物體傳播好像物體不存在一樣。

    大膽展望

    在演講最后，Wegener概述了筆者之前寫過的一些工作：使用巨型超材料來引導地震的表面波。顯然，這項工作仍在進行中，并且看起來有希望。當時，我很懷疑。但是，考慮到這里提出的進展和這些設備沒有超出制造極限的事實，我開始相信這項工作。

    注：這份講稿來自并發布在Physics@FOM, Veldhoven, 2017。

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責任編輯：劉洋

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