隐身斗篷里的“超构乾坤”

张兴华

我们是如何看到物体的？

要想知道隐身斗篷是如何隐身的，就要先了解人们是如何看到物体的。

光是在空间中传播的一种电磁波。不同颜色的光对应不同波长的电磁波，人眼能够看到的电磁波称为可见光，也就是波长范围很窄的一段电磁波。电磁波还包括其他波长不同的不可见光线，包括微波、红外线、紫外线、X 射线和伽马射线。

我们看到物体主要是因为光在物体的表面上发生反射，人眼看到了反射光线，从而意识到这里有一个物体。

如果能够调控物体的反射光，使得观察者不能接收到反射光，那么对于观察者而言，这个物体就是隐身的。在很多场景下，人们是从固定的角度来观察物体，如果物体的反射光与其环境有很大差别的时候，人们能够通过反射光判断物体的形状和大小;当降低物体反射光与环境的反射光之间的差别，该物体就能实现隐身。

例如，光线照在鱼身上后，会产生反射，这些反射波传到我们的眼睛，就形成了我们所看见的小鱼的模样。既然如此，如果我们能控制光线从小鱼身边绕过去，那么就没有光的反射，小鱼也就会“看起来”消失不见！

超构材料如何实现隐身魔法？

在过去，研究者用摄像机加上显示屏来制造隐身斗篷，但它只能对某个方向隐身，而且需要耗费许多能量，导致实用性低。

超构材料的发明使得隐身斗篷得以实现。当我们把介质里很微小的人工结构进行有序排列后，就可以改变介质的宏观性质。这些经过人工排序的微结构组成的介质，就叫作超构材料。

那么，超构材料是如何实现隐身的呢？办法是在材料表面制备纳米尺度的金属天线。在有光照时，光能与金属的表面电磁波发生共振，这些耦合的表面波和电荷的振荡也被称为表面等离激元。这种振荡会造成入射光相位的急剧跳变，不同尺寸的天线实现对应不同相位的跳变，因而通过设计不同形状的天线在空间中的排布可以改变光线的路径，阻止光发生反射，从而达到隐身的效果。

給我一点超构材料还你一件隐身斗篷

由于隐身斗篷所需的结构极其复杂，早期的研究主要是针对微波的隐身。随着超构材料的出现，在可见光波段使用的隐身斗篷终于被设计制造出来。

被称为光学孤立斗篷的隐身斗篷可以在三维空间中将物体隐身起来。光学孤立斗篷可以将进入其中的电磁波偏转，引导光绕过需要被隐藏的区域，并让电磁波在离开斗篷区域的时候回到它们入射时候的取向，就好像没有任何反射发生过一样，让人们在任何角度观察这个区域的时候都看不到反射光。

超构材料可以制作出传统光学器件不能实现的神奇光学特性，比如负折射率结构。这种结构可以将发散的光线在空中汇聚起来，不需要介质承载就可以在空气成像。结合空间定位等交互控制技术，可实现人与空气中的影像直接交互。这样的技术已经应用到了医院无接触式自助挂号机以及地铁自助售票终端上。患者或乘客看到悬浮在空气中的屏幕显示画面，通过直接在空气中点击，就能完成挂号或购票，而不需要触摸仪器。

超构材料的研究是一门前沿、实用的科学，它正朝着更薄、更轻、更广泛的方向发展。过去，隐身还是人类遥不可及的梦想，如今，梦想已逐渐变成了现实。人类对未来的畅想，真是推动科学进步的一股动力！