“這種超材料中棒的形狀和配置引起光按箭頭方向彎曲成負(fù)角度，這種過程叫做負(fù)折射。對這一動態(tài)過程更好的理解會加速新的超材料的發(fā)展，比如完美的透鏡和隱身衣。” 密西根理工大學(xué)的Elena Semouchkina說。

超材料提供了一種非常真實(shí)的可能性，即我們最牽強(qiáng)的幻想有一天會變成現(xiàn)實(shí)。從隱形斗篷和完美的透鏡到極大容量的電池，它們超級強(qiáng)力的應(yīng)用挑弄人的想象力。盡管科學(xué)家們已經(jīng)研究了超過15年的超材料，但迄今為止，“挑弄”一直是關(guān)鍵詞。

“沒有許多真正的超材料設(shè)備被開發(fā)出來，” 密西根理工大學(xué)電子工程副教授Elena Semouchkina說，“士兵們不能把隱形衣披到他們的肩膀上躲避狙擊，沒有完美的鏡頭應(yīng)用程序可以讓你用智能手機(jī)看到病毒。在某種程度上，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)上研究人員過于簡化了超材料的工作原理。”Semouchkina說它們的復(fù)雜性往往被忽略。

因此，她和她的團(tuán)隊(duì)開始研究這些復(fù)雜性，發(fā)現(xiàn)超材料的魔力是由超過一個物理原理所驅(qū)動的。一篇描述他們研究的論文最近被《物理學(xué)報(bào)D:應(yīng)用物理學(xué)》發(fā)表在網(wǎng)上。

簡單！

“超材料似乎看起來很復(fù)雜和未來主義，但事實(shí)恰恰相反。” Semouchkina說。超材料是一種具有自然界不存在的性能的工程材料。它們通常是由傳統(tǒng)材料做成的許多相同的元素制成，如金屬或非導(dǎo)電材料。想想一個魔方由幾百萬個比人類頭發(fā)的厚度還要小的單位組成。

這些專門設(shè)計(jì)的材料的工作原理是將電磁輻射的路徑彎曲——從無線電波到可見光到高能伽瑪射線——到新的不同的路徑。超物質(zhì)怎樣彎曲這些路徑（稱為折射）決定了它們的特殊應(yīng)用。例如超材料隱形斗篷會彎曲被其遮蓋的物體周圍光的路徑，促進(jìn)它們在另一處重新匯聚。因此，旁觀者可以看到物體背后的東西，而物體本身則是看不見的。

超材料研究者的傳統(tǒng)方法是將一個超材料的反射性能和共振聯(lián)系起來。當(dāng)電磁波通過時(shí)，超材料的每一個構(gòu)造塊像音叉一樣振動，引起所需類型的反射。

但是并沒有那么簡單…

Semouchkina想知道是否有額外因素被涉及進(jìn)光波的彎曲路徑。

“超材料看起來很簡單，但是它們的物理規(guī)律更復(fù)雜。”她說，并解釋她和她的團(tuán)隊(duì)側(cè)重于介電超材料，由不導(dǎo)電的元素組成。

該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量的計(jì)算機(jī)模擬，并得出了一個驚人的發(fā)現(xiàn):超材料中構(gòu)造塊的形狀和重復(fù)結(jié)構(gòu)---即周期性---影響折射率。共振似乎并沒有什么作用。

他們研究的超材料具有另一種類型的人造材料光子晶體的特性。像超材料一樣，光子晶體由許多相同的單元組成。此外，它們的表現(xiàn)就像電子產(chǎn)品中的半導(dǎo)體一樣，只不過它們是在傳輸光子而不是電子。

“我們發(fā)現(xiàn)，作為一種光子晶體伴隨而來的特性可以掩蓋超材料的共振，以至于它們能引起不同尋常的折射——包括負(fù)折射。這是發(fā)展完美透鏡所必需的。” Semouchkina說。

回到基礎(chǔ)

那么，這對設(shè)計(jì)明天的超級材料的科學(xué)家和工程師意味著什么呢?

“基本上，我們需要認(rèn)識到其中一些結(jié)構(gòu)可以顯示出光子晶體的特性，我們需要把它們的物理原理考慮進(jìn)去，” Semouchkina說，“這是一個不斷發(fā)展的領(lǐng)域，比我們所認(rèn)為的要復(fù)雜得多。”

Semouchkina的團(tuán)隊(duì)正在利用光子晶體來開發(fā)隱形斗篷，但她強(qiáng)調(diào)超材料研究可以有其他現(xiàn)實(shí)生活的應(yīng)用。她的一個項(xiàng)目側(cè)重于使用超材料概念來提高磁共振成像(MRI)的靈敏度，這可能會導(dǎo)致更好的醫(yī)學(xué)診斷和生物研究的進(jìn)步。

“跟哈利波特的隱形衣相比，這是一個非常實(shí)際的成果，”她說，“解超材料的基礎(chǔ)物理學(xué)將加速這類設(shè)備的開發(fā)。”

文章來自rdmag，原文題目為Beyond Good Vibrations: New Insights into Metamaterial Magic，由來點(diǎn)趣聞?wù)韰R編。