隐身的梦想——专访苏州大学赖耘教授

本刊记者 李 冲

隐身的梦想
——专访苏州大学赖耘教授

本刊记者 李 冲

在挪威神话中，具有超人力量的半神半人的、训练有素的武士sigurd拥有一件魔力无边的斗篷。穿着它就可以起到隐身的作用，别人只闻其声而不见其人，他可以来无影去无踪。从哈利波特的隐身斗篷，到隐身外星铁血战士，无一不体现了人类天马行空的想象力。

其实在现实世界里，多少年来，科学家们一直致力于研究隐身术所需用的材料，并且不同程度地取得了一些阶段性成果。

苏州大学赖耘教授的研究方向涉及和波相关的多个前沿课题，包括隐身及幻像，超构材料，变换光学，光子晶体，声子晶体，表面等离子体光子学等。虽然这些研究方向看似很不相同，但大体上都属于波动材料的研究范畴。赖耘教授也多次获得《科学》，《自然》，《自然-材料学》，《探索频道》，《华尔街日报》等顶级学术期刊和国际著名媒体广泛报道。

“隐身雨伞可以让未来的哈利波特看见光”

近年来，隐身这瓶“调味剂”经常出镜于小说和电影当中，体现了人类天马行空的想象力。不过，想象终归想象，多数人可能从未想过也许有朝一日可以利用科学的力量把隐身这个无数人的梦想在现实里实现。

2006年，J. Pendry课题组和U.Leonhardt分别独立在同一期《科学》杂志上刊登了两篇论文，提出了利用麦克斯韦方程组在坐标变换下的形式不变性或者亥姆赫兹方程的保角变换来实现隐身斗篷的设想。同年，D.R. Smith课题组在微波段利用超构材料实验证实了隐身斗篷的效果。这几项工作立刻吸引了全球科学家的密切关注与强烈兴趣。之后几年，国际上掀起了一阵对隐身研究的热潮，不论理论还是实验都取得了重大的进展。

关于军事隐形（Stealth）与隐身(Invisibility)的区别，赖耘教授告诉记者：“军事隐形一直是重要的科技前沿课题。然而，军事隐形的主要目的是让敌方雷达或声纳发出的入射波不在其反方向上反射，从而让物体无法被敌方雷达或声纳探测到。而隐身需要让物体在任何方向上都没有散射波，即散射系数为零，或等同于背景介质。因此，实现隐身的难度比军事隐形更艰巨。”

之前Pendry和Leonhardt提出的方案虽不尽相同，但都是利用一个具有复杂电磁参数分布的斗篷弯曲光线传播路径来实现隐身。当入射光射到斗篷表面的时候，会绕过斗篷包裹的隐蔽空间，从而让藏在其中的物体隐身。然而，因为光线不会进入隐蔽空间，藏在其中的物体（人）也无法感受到外界的光信息。因此，隐身斗篷可说是有利有弊。

2008年，赖耘教授在香港科技大学陈子亭教授处做博后的时候，发现通过变换光学可以设计出一种让物体被隐身的同时也能看到外界的方法。这种方法不需要用一个斗篷器件包住要隐身的物体，而只需要放置一个隐身器件在物体附近即可。因此，这种方法被称为“远程隐身”(“Cloaking at a distance”)。

赖耘教授说：“远程隐身的原理和隐身斗篷完全不同。它是通过设计特殊的隐身器件，让其散射波和物体的散射波在所有方向上都干涉相消，从而让所有方向上都没有散射波，也就是实现了全方位的隐身。其效果等同于隐身斗篷，但避免了斗篷致盲的缺陷。”

这项工作一经发表立刻广获《科学》、《自然》、《物理世界》、《华尔街日报》等媒体报道。其中《科学》杂志报道的标题是“隐身雨伞可以让未来的哈利波特看见光”，隐喻了远程隐身的两大优点，即不需要包住物体和可以让物体看见外界光。而《自然》杂志报道的标题是“超越隐身斗篷”。有趣的是，利用远程隐身的方法还可以实现只隐身物体的一部分，在墙上开一个虚拟的洞（透视）等等奇妙的功能。

远程隐身的工作也给了赖耘教授很多启示。不久之后，他意识到，隐身其实只是一种特殊的幻像，即自由空间的幻像。既然可以实现自由空间的幻像，那么，有没有可能实现任意的幻像呢，比如，将苹果变成一只香蕉？答案是肯定的。2009年，他们在远程隐身的基础上，首次严格证明了可以利用一个幻像器件改变一个物体的光学性质，使之变成一个任意物体的幻像，这被称为“幻像光学”（“Illusion optics”）。幻像光学将隐身领域推广到了一个更加丰富多彩的领域。它引起了学界广泛的关注和好评，获得《自然-材料学》，《自然中国》，《物理世界》，《探索频道》等媒体报道。其中，隐身领域创始人，著名学者J. Pendry爵士为之在《自然》杂志上特意写了一篇亮点评论。他认为这个发现是从科学上否定了“眼见为实”的人类几千年的经验常识，因而具有重要的意义。

“必须说明的是，以上的成果几乎都是理论证明和数值仿真。这是因为隐身或幻像器件具有比较苛刻的电磁材料参数要求。至今为止，只有中科院电子所李超教授在微波实验上实现了几个幻像光学的特例。然而近年来，随着科技手段不断提高，同样条件苛刻的隐身斗篷已经在某些波段和情况下实现。相信远程隐身和幻像光学未来也会有越来越多的实验研究乃至于应用。值得欣慰的是，在这个领域，中国可以说是走在了世界前列。港科大，南大，东大，武大，复旦，同济，浙大，中大，中科院等等，纷纷做出了重量级的研究成果。”赖耘教授如是说道。

最热门的前沿研究——超构材料

隐身或者幻像为什么这么难实现，这是因为它们需要具有非常特殊的电磁参数，即介电常数ε和磁导率μ的材料。这些参数如此特殊，以至于自然界里是找不到的。但是科学家们并没有绝望，而是发明了一种称之为“超构材料”（“Metamaterial”）的人工材料来实现这些自然界中不存在的参数。理论上讲，超构材料可以在单频上实现任意的电磁参数。目前，超构材料的研究是国际上最热门的前沿研究领域之一。

赖耘教授在超构材料领域做出了几项有趣而重要的成果和贡献。

他首次利用光子晶体实现了双零电磁超构材料，也就是ε=0和μ=0的材料。之前学界对超构材料的研究主要是集中在双负材料，2011年,赖耘教授，香港科技大学陈子亭教授及其团队发现利用光子晶体中的偶然简并就可以简单地实现双零超构材料(ε=0且μ=0)。

有趣的是，这个偶然简并同时会导致在简并频率处有一个狄拉克点的存在。

为了证明这个理论，他们用光子晶体做出的零参数材料做了几个有趣应用的数值模拟和微波段的实验验证，包括聚焦，波导内隧穿和隐身等，从理论和实验上都证明了光子晶体作为双零超构材料的效果。因为光子晶体是由电介质组成，在光频段具有低损耗的良好特性，因此这项成果预示了在光频段实现零参数超构材料的可能性，具有重要意义，发表在2011年的《自然-材料学》上。

赖耘教授还在声学超构材料领域发现了一些具有奇异性质的固体声学超构材料。超构材料的原理不仅适用于电磁波，也适用于声波，弹性波等经典波。利用声学超构材料同样可以实现自然界材料所不具备的一些声学性质，比如说具有负数质量和负数弹性模量等。但是至今声学超构材料的研究仍然大大滞后于光学超构材料。

2011年，赖耘教授，香港科技大学张昭庆教授及其团队通过设计多质点共振单元以及固液混合共振单元，发现固体声学超构材料可以具备某些非常奇特的性质。比如说，翻开任何一本声学或者弹性波教科书的话，都可以找到“固体里不仅可以传播纵波，也可以传播横波”这个经典的物理知识。然而，通过精心设计固体声学超构材料，可以实现固体里只能传播纵波，不能传播横波；或者刚好相反，能传播横波而不传播纵波；或者具有超各向异性，即在某些方向上只能传播纵波，在另一些方向上只能传播横波。这些固体声学超构材料的发现不仅打破了教科书知识，拓宽了声学材料的种类，未来还可能实现声学偏振片，完美纵横模转换等等实用的功能。这几项工作分别发表在今年的《自然-材料学》和《物理评论快报》上。并获加拿大著名声学专家J. Page教授在《自然-材料学》上以“既非固体亦非液体”为题做了专题亮点评论。

“展望未来，相信超构材料仍然会是一个蓬勃发展的领域。随着未来纳米制作水平的不断提高，这些具有奇异性质的超构材料可能会一个个从猜想、理论走到实验和现实中来。它们对人类科技力量的提升将具有非常重要的意义和价值。”赖耘教授对未来充满信心的说道。

对于此次能够成功入选青年千人计划和新世纪优秀人才支持计划，赖耘教授觉得他是非常幸运的，也非常感谢国家对他的重视。去年回国以来，苏州大学也给予了较好的研究条件和环境，并和多位海归教授组成了研究团队。今后会努力在波动材料研究领域里做出更多创新性的成果，不辜负国家的期望！