操縱聲波光波，南大團隊研制“隱形斗篷”“隱形玻璃”

超構(gòu)材料(Meta-material)指的是通過人工結(jié)構(gòu)實現(xiàn)超常特性的一類新型材料，具有天然材料中所沒有的光學(xué)、聲學(xué)、機械或射頻特性，有望成為一系列變革性技術(shù)的源頭。近日，新華日報·交匯點記者采訪了南京大學(xué)物理學(xué)院賴耘教授團隊，了解超構(gòu)材料神奇的“馭波術(shù)”。

隱形斗篷的時空幻象：整體消失的障礙物

說到隱形斗篷，人們都會想到《哈利·波特》里的那件神奇的斗篷。其實，隨著人工超構(gòu)材料和變換光學(xué)理論的發(fā)展，隱形斗篷在科學(xué)上已經(jīng)成為現(xiàn)實。但是，這種斗篷還無法做到電影里的隱身效果——因為它的工作帶寬還不足以覆蓋人眼的可見光頻段。

如何突破傳統(tǒng)隱形斗篷的窄帶寬限制?科學(xué)家正為之努力。賴耘教授團隊和香港大學(xué)Nicholas X. Fang教授團隊進行合作，提出了一種原創(chuàng)的隱身方法，解決了傳統(tǒng)隱形斗篷帶寬狹窄的技術(shù)瓶頸，產(chǎn)生了獨特的聲學(xué)幻象——“空間消失”及“時間偏移”。

賴耘教授一直從事光學(xué)超構(gòu)材料研究，在國際上率先提出了非包裹式隱身、幻象光學(xué)、光滲流理論等理論。他為記者科普道，所謂變換光學(xué)，其核心是通過調(diào)整介質(zhì)的材料特性，以特定的方式引導(dǎo)光線。“最早的隱身斗篷是如何產(chǎn)生的呢?其實是在物體周圍放置了一些特殊設(shè)計的超構(gòu)材料，讓光線偏折、繞過物體，從而使該物體隱形。”

這些神奇的超構(gòu)材料是科學(xué)家們用納米技術(shù)創(chuàng)造的微小結(jié)構(gòu)，能夠改變聲波、光波等方向，但缺點是這種材料通常具有強烈的色散，導(dǎo)致其工作帶寬很窄。如果純粹基于幾何光學(xué)來設(shè)計隱身斗篷，這顯然并不適用于低頻散射的情況，如聲學(xué)隱身。

想象一個空間中存在物體，當(dāng)聲波在這個空間中傳播時，物體不可避免地會造成散射，這不僅會導(dǎo)致聲波的能量衰減，還使得聲波的傳播方向變得雜亂無章。通過散射波，可以探測到物體的存在與大小、位置等信息。如何避免這種探測，成了聲學(xué)中最關(guān)鍵的技術(shù)應(yīng)用之一。

南京大學(xué)劉晨凱副研究員說，消除物體的散射有多種方法，除了采用隱形斗篷將物體等效為“自由空間”外，還可以干脆讓包含物體的這部分空間消失，也就是實現(xiàn)一個“空間消失”的幻象。

賴耘介紹，研究人員創(chuàng)新性地采用了亞波長尺度的聲學(xué)隧道作為超構(gòu)材料的基本單元結(jié)構(gòu)，并在隧道內(nèi)部設(shè)計了一系列倒刺結(jié)構(gòu)，這些特殊聲學(xué)隧道的核心功能在于其對聲速的任意操控能力，且能保持高效的傳輸效率，“無論頻率如何變化，這種材料都能保持其卓越的聲波傳播和散射消除性能?！?/p>

當(dāng)障礙物被精心設(shè)計的超構(gòu)材料所覆蓋時，入射聲波可以沿這種特殊材料傳播并繞過障礙物繼續(xù)傳播。當(dāng)聲程設(shè)計合理時，包含了障礙物的空間，對于聲波而言，好像整體消失了一樣。在這一過程中，原先由于障礙物引起的雜亂聲散射被有效地消除，聲波的傳輸質(zhì)量得到了顯著提升。

這項研究在理論上具有重大意義，為超寬帶隱形和聲場調(diào)控等實際應(yīng)用開辟了新的設(shè)計方向。記者了解到，目前團隊設(shè)計的樣品正在進行水下測試，未來該器件在聲波通信、聲學(xué)隱身、噪聲控制等多個領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景?！白屛矬w在更寬的頻率范圍內(nèi)被‘隱形’，目前主要是用于聲波的波段，未來也會在可見光的領(lǐng)域進行探索?！辟囋耪f。

玻璃的偽裝術(shù)：看似粗糙墻面的透明玻璃

一輛汽車從外部看起來全是金屬外殼沒有窗戶，但駕駛員卻可以毫無阻礙地看到車窗外的清晰景象;一個房子從外面看起來四面都是墻壁，但房間內(nèi)的人向外眺望時墻壁卻好像是透明玻璃一樣……要實現(xiàn)上述科幻般的場景，需要一種特殊的光學(xué)材料。

8日，賴耘教授就攜帶著這樣一塊透明啞光玻璃，參加日內(nèi)瓦國際發(fā)明展，他告訴記者，這塊玻璃，不僅擁有類似粗糙物體的啞光外貌，還能保持完美透明，這也是團隊正在嘗試產(chǎn)業(yè)化的一個項目。

透明性與啞光外貌形成了一對矛盾的光學(xué)屬性，這個難題自古以來一直未獲解決。賴耘表示，傳統(tǒng)的光學(xué)材料中，并不存在既透明又啞光的材料?！巴该鞑ＡУ谋砻?，一定是光滑的，但同時會伴隨著鏡像與眩光?！辟囋耪f，現(xiàn)實生活中，無論是手機屏幕，還是玻璃車窗，都會產(chǎn)生一定的反射眩光，給生活帶來大大小小的煩惱。如果將玻璃表面粗糙化，的確可以消除鏡像與眩光，實現(xiàn)啞光外貌。但是，其透明性也會大幅降低，讓透射的景象變得模糊，即透明玻璃變成了毛玻璃。

傳統(tǒng)光學(xué)中產(chǎn)生漫散射的方法，無論是粗糙表面，還是無序介質(zhì)，都不可避免地破壞了系統(tǒng)的透明性。賴耘介紹，面對這一困境，超構(gòu)表面技術(shù)，利用微米級別的結(jié)構(gòu)設(shè)計來控制光的相位和振幅，可以實現(xiàn)對光的精細操控，“我們通過超構(gòu)表面技術(shù)，實現(xiàn)了一種極端不對稱、集中在背向的漫散射，從而解決啞光外貌與透明性之間的矛盾?！?021年，團隊設(shè)計了無序翻轉(zhuǎn)超表面，首次成功地將漫反射與透射清晰成像的功能在超表面中完美融合。

然而，這種無序翻轉(zhuǎn)超表面的最小特征尺寸約為100納米，難以加工出宏觀尺寸的樣品，這將大大限制該技術(shù)的實際應(yīng)用。于是，團隊又花費了3年左右的時間，首次基于成熟的工業(yè)級步進式光刻技術(shù)，在玻璃表面加工了直徑為10厘米的宏觀尺寸超表面，不僅可以在整個可見光波段保持完美透明性，還展現(xiàn)出如粗糙物體表面一般的啞光外貌。該研究成果去年已發(fā)表在國際重要期刊《科學(xué)進展》上。

賴耘介紹，這類新型的光學(xué)材料在隱形、成像和顯示等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，有望實現(xiàn)一系列前所未有的新應(yīng)用。比如，通過漫反射可以去除玻璃表面的鏡面倒影與眩光，不僅顯著改善顯示屏幕和櫥窗的視覺體驗，還大大減少了城市的光污染;通過設(shè)計彩色啞光外觀的玻璃，可以更自由地設(shè)計車輛、房屋的外觀，實現(xiàn)“無窗”卻可透視的科幻場景;通過將玻璃“偽裝”成不透明材料，可以賦予監(jiān)控設(shè)備“隱形”的能力;通過投影等方式，還可以實現(xiàn)大面積動態(tài)高清透明顯示，推動增強現(xiàn)實等未來科技的發(fā)展。

新華日報·交匯點記者 楊頻萍