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    隐形装备出现了?金属会为光引路

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      普朗克

      【博科园-科学科普】只要人类一直在写关于幻想、神话和科幻小说,隐形的梦想一直是最优先被选用的。虽然《星际迷航》把隐形装置的概念带入到大众的意识中,但我们最近的发现却是对隐形技术的发展。

      隐形装备出现了?金属会为光引路

      一个物体拥有让周围的光线弯曲并且照射到物体背面的能力。来自任何角度和距离的射入光都可能由于超材料、纳米和转换光学的结合而变得真实。图片版权:University of Rochester

      对雷达的隐身,即长波的电磁辐射可能是第一步,但最近对超材料的开发使这一目标更进一步,在一个物体周围使光线弯曲而且无法被探测到。一种叫做宽带消色差金属的新型材料首次覆盖了整个可见光光谱。这种技术与超材料隐身技术的融合可以使第一个可见光隐身装置的产生成为可能。

      隐形装备出现了?金属会为光引路

      通过在一个物体周围弯曲光线,科学中的转换光学可以使三维隐身装置首次运转。金属化的新进展如果能成功应用,就可以将隐形衣扩展到光谱的可见光部分。图片版权:Hyperstealth Biotechnology

      在正常情况下,当用任何波长的光线照射任何物体时,典型的结果是光线被吸收或被反射。如果光线被吸收,那么任何背景光和信号都会被遮盖,提醒你注意它的存在。(换句话说,这个物体不会是透明的)如果光线被反射,发出的任何信号都会被反射回来,照亮这个物体直接观察它。当隐形技术将反射率降至最低时,一个真正的“隐身装置”会将物体周围的光线从四面八方转移开,这样一来,任何地方的人都只能看到背景信号,仿佛隐藏物体根本就不在那里。

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      十多年前,第一个从一个特定角度观察物体时会隐藏物体的2D斗篷被开发出来。今天科学家正致力于一件真正的3D斗篷。图片版权:Igor Smolyaninov / University of Maryland

      一种特殊的多层涂层,被称为超材料的物质已经被开发出来。它能使电磁辐射在物体周围自由传递,这不同于光通过一种透明材料的传播方式。超材料的结构引导物体周围的光,使光不受干扰地朝着它到达的方向移动。从2006年开始,转换光学的科学使我们能够将一个电磁场映射到一个旋转的三维网格上;当网格被扭曲时,磁场也会被扭曲,在正确的配置下,内部对象可以被完全隐藏。通过适当地控制弯曲和不弯曲光线的数量,物体可以被特定波长的光隐藏起来。截止到2016年,一件7层的超材料的覆盖范围从光谱的无线电部分一直延伸到红外线部分。

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      左:无限长的PEC圆柱的横截面,受平面波的影响,可以观察到散射场。右:2维斗篷运用转换光学技术设计来遮掩圆柱体。在这种情况下没有散射,圆柱体是电磁隐身的。图片版权:Physicsch / Wikimedia Commons

      与超材料有关的是金属的领域。大多数你能制造出的透镜的正常材料具有与棱镜相同的色散特性:当光线通过棱镜时,光线会减慢。但是不同波长的光变慢的速度不同,这就是为什么当光穿过介质时,会产生“彩虹”效应,因为红光的传播速度与蓝光不同。涂层可以应用在精细的镜头上,以尽量减少这种色差效应,但它还是会存在一定的色差。现代相机使用多个镜头来尽可能地消除色差,但它沉重、庞大、昂贵,而且不是百分之百的成功。

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      白光通过棱镜时的行为表明,不同能量的光在介质中以不同的速度运动,除了通过真空。图片版权:University of Iowa

      一种理想的金属是不管波长如何,都能形成波锋,即使是最小的尺度,也可以将光聚焦到一个点上。一种非常薄的金属(在一定次序下的单一波长光),它们很容易被制造,而且可以将各种波长的光汇聚在同一点上。最近发表在《自然纳米技术》上的重要科技成就应用了钛基纳米鳍。根据入射光的波长,这些纳米鳍将引导光线穿过材料的不同部分,使其能够精确地弯曲,在并且我们需要的地方结束。

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      通过与这种新金属相关联的新技术,光谱上的光可以聚焦到一个点上,这实质上是消除了色差。图片版权:Jared Sisler / Harvard SEAS

      马上就可以制造出一个更便宜,更轻,更有效的镜头。魏婷(音译)解释说:通过将两个纳米鳍结合成一个元素,可以调整纳米结构材料中光的速度,使用单个金属可以确保可见的所有波长的光都能聚焦在同一个点上。相比于复合标准的消色差透镜,这大大降低了透镜的厚度和设计复杂性。虽然这些金属材料可以直接应用于照相机、VR设备、显微镜及其他医学和辅助技术,但金属材料/纳米材料与超材料的长期融合可能正是隐形装置所需要的。

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      通过金属的力量,可以使整个光谱范围内的光线聚焦到一个点上。如果这样的光可以在物体周围弯曲,聚焦;并在它的初始方向发射,就会有一个真正的隐身装置。图片版权:W. T. Chen et al., Nature Nanotechnology (2018), doi:10.1038/s41565-017-0034-6

      现实生活中的斗篷所面临的最大挑战是如何将各种波长的物体结合在一起,因为斗篷的材质必须使适当数量的光从点对点变化到弯曲然后伸直。根据迄今为止发现的材料,还没有设法用一件斗篷穿透光谱的可见光部分。然而在金属方面的新进展似乎表明,如果可以用一个单一窄的波长做到,可以应用这个纳米技术来极大地扩展覆盖波长的范围。第一个应用这个技术的消色差透镜透镜几乎覆盖了全部的可见光光谱(从470到670 nm),并且随着超材料的发展,可见光隐身装置将成为现实。

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      使光线弯曲并把它聚焦到一个点上,不管波长如何,或者它在表面上发生了什么,都是通往真正的隐身装置的关键一步。金属和超材料的结合可以使这个科幻梦成为现实。图片版权:M. Khorasaninejad et al., Nano Lett., 2017, 17 (3), pp 1819–1824

      就在几年前,有人推测,现实生活中的隐形斗篷只适用于少数几种特定配置的窄波长。人们认为,大的、宏观的物体被隐藏在一个巨大的波长范围内是不可思议的。今天,随着金属的进步,通过引导不同波长的光到达合适的位置可以获得不失真的结果是我们强烈渴望的,也许这正预示着一个真正的隐身装置的到来。正如《星际迷航》(Star Trek)最初设想的那样,隐身技术的完善需要几个世纪的时间。在地球上,这可能只需要一二十年。如果这种最新的金属材料可以迅速应用于超材料斗篷,一种光学的、三维的隐身装置可就能在人类不久的将来现实。


      • 知识:科学无国界,博科园-科学科普

      • 作者:Ethan Siegel(天体物理学家)

      • 内容:“博科园”判定符合今主流科学

      • 来自:Forbes science

      • 编译:公子世无双

      • 审校:博科园

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