互动科普

具有奇异光学性能的人工复合材料——超材料已做好走出实验室的准备，即将进入市场。

撰文：李·比灵斯（Lee Billings） 翻译：刘夏

如果不再听到“哈利·波特隐身斗篷”这种说法，汤姆·德里斯科尔（Tom Driscoll）会十分高兴。但他知道，这无法避免。当今媒体在报道超材料（metamaterial）的最新进展时，都会使用这个词。超材料的实质是一系列极小“元件”排列而成的阵列，它能够弯曲、散射、传输电磁辐射，甚至让电磁辐射以特定路径传播，而自然材料完全无法做到这些。从原理上说，超材料是通过让光线绕过物体，从而使得物体不可见，这与某位虚构巫师的隐身斗篷完全不同。当然，在军方的大力资助下，许多超材料的研究者也在努力制作一件真正的隐身斗篷。

不过，这样的应用要得以实现，还需要数十年时间。对德里斯科尔这位物理学家来说，将科技转化为商业产品，是一件非常有吸引力的事。他在位于美国华盛顿的一个专利投资公司——高智发明公司（Intellectual Ventures）工作，负责超材料的商业化，他表示，“超材料会在一些领域产生巨大影响”，比如低成本的卫星通信、超薄智能手机和超快光学数据处理仪器等方面。

超材料研究者仍然面临许多严峻挑战，德里斯科尔补充道，尤其是寻找一些便宜的方式来制备和操控纳米尺度的超材料元件。第一个超材料产品预计将于一年左右上市。德里斯科尔希望，在那之后普通消费者也能很快地享受到超材料产品带来的好处，比如在飞机舱内享受到更快、更便宜的网络连接等。这些应用，会逐渐从人们幻想中的事物变成“生活中离不开的事物”。

2000年，当时就职于加利福尼亚大学圣地亚哥分校的物理学家戴维· 史密斯（David Smith）和同事，首次在实验上证实了超材料这种特殊材料的存在。这个实验是对英国帝国理工学院的约翰·彭德里（John Pendry）等人在20世纪90年代完成的一项理论研究的跟进。他们展示了一个由细细的铜丝和微小的铜环组成的阵列，通过该阵列的微波会出现负折射现象，即射入阵列的微波射线的折射方向，与通常所知的折射方向完全相反（见“微波工程”图）。这引起了人们对超材料的强烈关注，因为这种弯曲辐射的特殊性质，使得制造“隐身斗篷”成为可能。

从那时起，史密斯及其他研究人员，尝试了各种各样的方法来制备超材料，期望能够找到负折射现象以外的控制辐射的方法。他们的研究也不再局限于静态阵列，而是发明新技术来改变元件排列方式，以此来改变超材料对辐射的反应，控制辐射路径。通过这项技术制备出的超材料，有许多常规材料不具备的性能，例如能从不透明变成透明，或者从红色变成蓝色，而完成这些只须动动开关。

市场动态

今年1月份，现就职于杜克大学的史密斯开始兼任高智发明公司超材料商业化项目的负责人。他说：“我认为现在时机正合适，我们不需要再做更多关于这些材料的科学研究工作。”

Kymeta公司是一家从高智发明公司拆分出来、独立运作的公司，该公司计划将“密距天线”（compact antenna）这一产品推向市场，这是该公司第一款面向消费者的超材料产品。这种设备相对便宜，可以把宽频卫星信号传送到飞机、火车、船舶、汽车和其他远离移动网络、在偏远地区运作的平台。

密距天线的具体细节属于商业机密，并没有对外公布。简单来说，其中心是一个扁平的、包含几千个电子超材料元件的线路板，通过内部软件的控制，可以瞬间改变每一个元件的性能。普通的抛物面天线必须保持自身方向朝向卫星，才能穿越天空追踪到卫星信号。而密距天线完全不需要，这是因为天线内部的软件可以随时调控每一个超材料元件的电学性能，天线静止不动就能追踪到卫星。如果操作得当，密距天线射向卫星方向的波将会相互增强，而其他方向的信号会相互抵消，无法传播出去。同样的原理，天线也只会接收从指定卫星发来的信号。

史密斯认为，密距天线的设计比原来的抛物面天线简洁了很多，因此“显著地降低了成本、重量和能耗”。Kymeta公司已经向投资者和潜在合作伙伴展示了这项新技术。但是，史密斯也提醒大家，公司尚未给密距天线定价，他们还得在满足监管机构对卫星通信设备的严格要求的前提下，努力降低生产成本。

目前，Kymeta公司对外公布的关于密距天线的细节非常少，研究人员很难对其给出评价。但是，史密斯在此领域依然备受尊敬。如果Kymeta公司将这项产品投向市场，可能会最先应用于私人飞机和客机。如果反响良好，公司希望能将该技术用于其他产品，比如救援人员和野外科研人员使用的便携式、低功耗卫星通信装置。

今年1月，史密斯的团队再次引起关注，该团队对外公布了他们研发的另一个超材料设备：一个无需镜头和任何移动部件就能产生压缩微波图像（以微波辐射计接收物体发射的微波能量而形成的图像）的摄像机。这类设备的一个重要应用是，可以用于机场安检扫描仪，以降低成本和复杂性。

现在机场的扫描仪，需要非常机械地让微波传感器围着物体转一圈，这会产生大量数据，而且扫描仪必须先将数据储存后，才能把数据转换为图片。史密斯和同事利用超材料研制的新设备，则只需要储存非常少的数据。这种设备可以以每秒10次的速度，向物体发射多种波长的微波束，穿过物体。当微波被反射回来时，会落在由方形的铜质超材料元件组成的薄带上，这些元件的结构都可以调控，阻止或者允许微波束通过。而且，元件的结构可以迅速调整，每次结构的变化都可以把一幅物体图像传送给一个传感器。后者可以检测每幅图像的微波辐射强度，然后输出一串数字，通过数字化处理，就可以重建高度压缩的物体图像。

坦率地讲，上述设备还只是初步尝试：迄今为止进行的演示都局限在简单金属物体的二维图像。要想扩展到复杂物体的三维图像，仍然是一个很大的挑战。德里斯科尔认为，如果解决了这一问题，机场就能撤下笨重、昂贵且速度很慢的安检站台，换上大量轻薄、便宜、可与计算机连接的超材料摄像头。经过改造的安检系统，可以扩展至机场的每一个房间、走廊、门厅以及其他敏感的设备。

与此同时，史密斯及其研究组的主要目标是，研发稳健的、可投向市场的超材料设备，而且不止局限在无线电、微波和红外线这几个波段。如果这些设备可以利用可见光波段，超材料设备可以变成更有用的设备，比如通信光纤或者面向消费者的摄像机和显示器。

史蒂夫·拉鲁什（Stephane Larouche）是史密斯研究组的一名成员，他指出上述目标并不容易实现。无论何种类型的辐射，都需要超材料元件的尺寸及元件间距小于辐射的波长，超材料才可以发挥它们的特殊功能。拉鲁什解释道：“所以如果我们希望利用较短的波长，就必须制备越来越小的超材料元件。”

利用微波和无线电波段，还相对简单，因为其波长在厘米到米之间。但是利用可见光波段的超材料元件，其尺寸必须远远小于微米。这不是不可能的事，现在的高性能芯片的尺寸最小已做到几十纳米。当然，与尺寸在几十纳米的静态微芯片不同，拉鲁什说，超材料元件在应用时，需要与软件配合，这样就可以动态地改变超材料元件的性能。拉鲁什说：“我们经常会有一些奇妙的想法，却没有办法制备出来。”

超级显微镜

尽管面临着如此多的困难，但科学家已经开始设计可行的可见光超材料。英国南安普顿大学物理学家尼古拉·泽鲁戴夫（Nikolay Zheludev），领导着新加坡南洋理工大学的一个超材料研究中心，该研究中心在今年3月份发布了一种超材料设备。该设备拥有由金质薄膜蚀刻而成的、纳米尺度的超材料元件，元件可以通过电流控制，可大幅度改变设备传输或者反射可见光波的能力。将来，这种设备有望成为高速光纤通信网络的开关。

在可见光波段制备或操控三维超材料阵列非常困难，所以许多研究者把目光投向了二维的“超表面”。2012年8月，哈佛大学的费德里科·卡帕索（Federico Capasso）带领的研究组，设计出了一种超材料平面镜片，该镜片可以像玻璃透镜一样，将红外线聚焦到一个点上。卡帕索说：“我不能说这是百分百的创新，但我相信，我们是第一个将平面光学器件推向商业应用的团队。”

传统镜片能将光聚焦到一个点上，靠的是镜片厚度不同，通过折射作用改变光的传播路线，从而将光聚焦到一个点上。而卡帕索的镜片则是使光通过一个由金质超材料构成的二维元件阵列，从而实现聚焦。阵列中的元件都是用微芯片行业中的电子束光刻技术（electron-beam lithography），在一个60纳米厚的硅片上刻蚀而成的。由于阵列中的元件都是固定好的，因此制备好之后无法调整。但在制备过程中，物理学家可以选择特定的元件尺寸和间距，从而将指定波长的光波精确聚焦至一个焦点。

卡帕索提醒，这种平面镜片的商业应用可能仍需要10多年才能完成。部分原因是，硅基质是一种坚硬易碎的材料，不利于超材料元件的刻蚀。他们正在寻找更加坚固、柔韧且易于处理的基底来替代硅基底，使其更容易在生产线上操作。同时，他们也在寻找更好的方式，来控制纳米尺度元件的刻蚀工作，以替代目前这种要求非常高的精确操作方式。

卡帕索说，一旦人们掌握了这项技术，一个显而易见的应用就是智能手机的摄像头。镜片和电池，是最难处理的限制智能手机厚度的两个因素。可以推测，如果智能手机摄像头采用超材料平面镜片，那么手机可以做到像信用卡一样薄。平面镜片还能避免玻璃镜片带来的像差问题，比如普通镜片无法将不同波长的波聚焦至一点，会产生彩色条纹。平面镜片的这些优势，意味着它可以用于制作更好的、无像差的显微镜。

传统镜片无论发展得有多好，最终都无法突破衍射极限——即传统镜片无法得到比照射光波长更小的物体细节。对于可见光，这个极限大约在200纳米。但是，超材料提供了一种制备超级透镜的方法，使得研究人员可以观测到小于波长的物体细节，比如病毒或者结构千变万化的活细胞。

需要注意的是，我们观察不到的细节并不是不存在，而是反射光中，携带这些细节信息的光波在传播过程中衰减得非常快，通常，在被普通镜片捕捉到之前，这些光波就已经消失了。但是，利用超材料制备的超级镜片，可放置于离物体几十纳米的位置，确保能够收集到并放大那些易消散的光波。

2005年，加利福尼亚大学伯克利分校的物理学家张想（音译，Zhang Xiang）和同事就展示了一块超级镜片，验证了早期的超级镜片概念。研究组制备的超材料镜片包含35纳米厚的银层，上下分别为纳米铬层和纳米塑料层，类似三明治形状。在那之后，这个研究组继续跟进，对超级镜片的细节进行了完善。2007年，他们将超级镜片的概念继续向前推进，利用弯曲、嵌套的混合层（如银、铝和石英混合层）制备出了“特级镜片”（hyper-lenses），不仅能捕捉易消散的光波，还能将这些光波传送给传统光学系统。最终，借助特级镜片，我们可以在传统的显微镜上观察到尺度比可见光波长还小的细节。但由于结构和特性过于复杂，制备和使用特级镜片非常困难。

革新光刻技术

通过把传统光学镜片与基于超材料的超级镜片、特级镜片结合，张想希望这一强大组合的应用范围不止局限在显微镜上。除了可以放大比波长还小的细节，特级镜片还可以逆向作用，把光束导向比波长还小的点——对于微型结构的制备，这种技术可能具有革命性意义。如果真的能这样利用超级镜片和特级镜片，人们可以利用超细光束，蚀刻出比今天最小结构还要小的结构，显著提高光盘的数据存储密度，及计算机芯片上的元件数量。

对此，史密斯显得比较谨慎。他指出，相比现在比较先进的光刻技术，超级镜片和特级镜片实际上会耗散更多的光能。这使得它们成为“引人注目的科学研究，但暂时无法应用于任何产品中”。不过，史密斯补充道，张想等人的工作从根本上证明了超材料的潜力，是非常伟大的实验。

张想承认，超级镜片和特级镜片还没有进入黄金时代，仍需要很长的准备时间。但他相信，在未来几年里，正在进行的研究会有足够的空间来改变这一现状。“这种技术带来的经济效益可能十分巨大，”他说，“我对超材料、超级透镜和光刻技术革命保持谨慎乐观的态度，从长远来看，在超材料的应用上，一切都有可能，没有做不到，只有想不到。”

本文作者：李·比灵斯是一位自由撰稿人，现居美国纽约。

本文译者：刘夏是北京工业大学机电学院工程力学系博士。