擁有奇異光學(xué)特質(zhì)的工程學(xué)結(jié)構(gòu)已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室，開始進(jìn)入市場(chǎng)。
如果物理學(xué)家Tom Driscoll沒有再次聽到“哈利·波特的隱身衣”這樣的形容，他將十分開心。但他知道這無法避免。輿論界在報(bào)道超材料的最新進(jìn)展時(shí)，并沒有抵制使用這個(gè)詞。這些新材料是能彎曲、分散、傳輸，或以某些方式塑造電磁輻射的一系列極小“元素”。
的確，超材料大體上能圍繞物體傳送光，并使得它們不可見。還有一些超材料研究人員正試著制作一件真正的隱身衣，尤其是因?yàn)檐婈?duì)急切地資助研發(fā)此類功能材料。
不過，這樣的應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)，還將需要數(shù)十年的時(shí)間。技術(shù)的商業(yè)轉(zhuǎn)化對(duì)Driscoll來說更有吸引力。
Driscoll在美國(guó)一個(gè)專利聚合公司——高智發(fā)明公司中負(fù)責(zé)監(jiān)管超材料商業(yè)化。他表示，成本更低的通訊衛(wèi)星、更薄的智能手機(jī)和超快光學(xué)數(shù)據(jù)處理等應(yīng)用是“超材料準(zhǔn)備大顯身手的領(lǐng)域”。
從金和硅中蝕刻出來的元件使得超材料結(jié)構(gòu)可以迅速改變其傳播和反射光的能力
研究人員仍面臨一些嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，他補(bǔ)充道，尤其是尋找能在納米尺度上制造和操縱超材料元素的便宜方法。但是首個(gè)超材料產(chǎn)品預(yù)計(jì)能在1年左右上市銷售。Driscoll希望，在那之后不久，普通消費(fèi)者也能夠開始享受這種福利，例如在飛機(jī)上享受到更快更便宜的網(wǎng)絡(luò)連接等。
首個(gè)超材料的實(shí)驗(yàn)室演示由美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校物理學(xué)家David Smith及其同事于2000年公布。在上世紀(jì)90年代英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的John Pendry完成理論研究后，這些研究人員表示，一排微小銅線和金屬環(huán)對(duì)微波有負(fù)的折射率。超材料引發(fā)人們極大興趣的一部分原因就是這種彎曲輻射的能力，即制造隱身衣的潛能。
從那以來，Smith等人探索了對(duì)超材料的各種想法。他們還超越了靜態(tài)陣列，設(shè)計(jì)了技術(shù)改變?cè)嘏帕械姆绞�。結(jié)果產(chǎn)生的材料能從不透明變?yōu)橥该�，或者從紅色變?yōu)樗{(lán)色。
市場(chǎng)動(dòng)態(tài)
今年1月，現(xiàn)就職于北卡羅來納州杜克大學(xué)的Smith開始兼任高智發(fā)明公司超材料商業(yè)化主管。“我認(rèn)為，當(dāng)時(shí)恰合時(shí)宜，并且對(duì)于其中一些東西，我們不需要作更多的科學(xué)研究。”他說。
一個(gè)相關(guān)測(cè)試案例可能在明年就可開始。高智發(fā)明公司在華盛頓雷德蒙的分公司希望上市一種緊湊型天線，這將是第一款消費(fèi)者導(dǎo)向的超材料產(chǎn)品。這個(gè)相對(duì)便宜的設(shè)備將能為飛機(jī)、火車、船舶、汽車以及其他遠(yuǎn)離移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的平臺(tái)提供寬頻的衛(wèi)星通訊。
在天線的中心——細(xì)節(jié)仍是機(jī)密——是一個(gè)扁平的線路板，包含數(shù)千個(gè)電子超材料元件，通過裝置內(nèi)部軟件的控制，每個(gè)元件的性能可以瞬間改變。這允許天線追蹤穿過整個(gè)天空的衛(wèi)星，而不用維持特定的朝向。軟件能不斷地調(diào)整每個(gè)超材料元件的電學(xué)特性，而天線仍然保持靜止。
Smith表示，該技術(shù)比碗型天線等替代性選擇更加緊密。“它節(jié)省了成本、重量和能耗。”該公司已經(jīng)為投資者和潛在開發(fā)伙伴示范了相關(guān)技術(shù)。
但是，Smith提醒，該公司尚未對(duì)新天線進(jìn)行定價(jià)，在嚴(yán)格維持新天線性能標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，還需要降低成本。
關(guān)于新天線的一些細(xì)節(jié)，研究人員則表示很難予以評(píng)估。但Smith高度重視這一領(lǐng)域。一旦該公司將這一產(chǎn)品投放市場(chǎng)，它可能首先為私人飛機(jī)和客機(jī)提供天線。如果買主反響良好，該公司希望將該技術(shù)合并入其他生產(chǎn)線。
聚焦平面
盡管存在不少困難，但光學(xué)超材料的可行設(shè)計(jì)開始出現(xiàn)。3月，英國(guó)南安普頓大學(xué)物理學(xué)家Nikolay Zheludev領(lǐng)銜的研究小組發(fā)表了自己的研究，Zheludev還在新加坡南洋理工大學(xué)指導(dǎo)一個(gè)聚焦超材料的研究中心。該研究小組的設(shè)計(jì)能夠通過納米級(jí)手段，極大改變其傳送或反射光波長(zhǎng)的能力。將來它有望成為高速纖維光學(xué)通信網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)。
同時(shí)，因?yàn)橹谱饕约霸诠鈱W(xué)尺度上控制三維超材料陣列十分困難，一些研究人員將目光投向了二維的“超表面”。
2012年8月，美國(guó)哈佛大學(xué)的Federico Capasso及其同事設(shè)計(jì)出一種平的超材料鏡頭，它能將紅外光聚焦到一個(gè)點(diǎn)上，幾乎與玻璃鏡頭一樣。“我不想說這是絕對(duì)新穎的。”Capasso說，“但我相信我們是第一個(gè)如此明確地將平面光學(xué)器件植入商業(yè)應(yīng)用的團(tuán)隊(duì)。”
一個(gè)傳統(tǒng)鏡頭依賴折射使光變彎曲，從而聚焦到一個(gè)點(diǎn)上。Capasso的鏡頭使光通過一個(gè)金的超材料二維陣列，這些超材料是使用光刻技術(shù)電子束從一個(gè)60納米厚的硅片上蝕刻出來的。金元件被固定，因此裝配后也不能調(diào)整。但是，在制造過程中，通過選定特殊的形狀和間隔，物理學(xué)家能將選定波長(zhǎng)的光以精確的正確方式到達(dá)一個(gè)焦點(diǎn)。
Capasso警告稱，這種平面鏡頭的商業(yè)化歷程或許仍需要10多年。部分原因是由于硅是一種堅(jiān)硬易碎的基質(zhì)，研究人員考慮使用更強(qiáng)健靈活的替代品，使其可以更容易在生產(chǎn)線上操作。他們也在尋找更好的方式，控制納米元件的蝕刻，這些工作需要非常精確。
但是，Capasso表示，一旦相關(guān)技術(shù)被掌握，一個(gè)顯著的應(yīng)用是在智能手機(jī)內(nèi)置相機(jī)中。當(dāng)然，這種平面鏡頭仍然會(huì)受到光衍射的限制。不過超材料提供了一種制造“超級(jí)透鏡”的方式，或能超越這些限制。
早在2005年，加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)家Xiang Zhang及其同事就演示了一個(gè)早期的超級(jí)透鏡概念。該研究小組制造了一種簡(jiǎn)單的超材料，包含35納米厚的銀層，位于鉻和塑料納米級(jí)夾層中間。
可逆焦點(diǎn)
通過將傳統(tǒng)光學(xué)與基于超材料的超級(jí)透鏡等相匹配，Zhang希望能最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出顯微鏡學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。正如那些能夠放大次波長(zhǎng)細(xì)節(jié)的構(gòu)建一樣，它們也可以逆向運(yùn)行，引導(dǎo)光束進(jìn)入次波長(zhǎng)焦點(diǎn)——該性能可能會(huì)對(duì)使用光刻技術(shù)制造極小結(jié)構(gòu)有革命性的重要作用。
如果超級(jí)透鏡能被利用，超細(xì)光束將能被用于蝕刻現(xiàn)在還無法達(dá)到的更小結(jié)構(gòu)。這將極大增加光驅(qū)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存密度。
Smith對(duì)此十分謹(jǐn)慎，他指出，與其他目前開發(fā)的相關(guān)先進(jìn)技術(shù)相比，超級(jí)透鏡趨向驅(qū)散更多光能。他說，這使得它們是“引人注目的科學(xué)，但尚未被應(yīng)用于任何產(chǎn)品中”。不過，他補(bǔ)充道，Zhang的努力是“英雄般的試驗(yàn)，從根本上證明了超材料的潛力”。
Zhang也承認(rèn)超級(jí)透鏡等尚未準(zhǔn)備就緒，但是他相信，在未來幾年里，正在進(jìn)行的研究有足夠的空間改變這一現(xiàn)狀。他說：“經(jīng)濟(jì)影響可能十分巨大，我對(duì)超材料、超級(jí)透鏡和光刻技術(shù)革命，保持謹(jǐn)慎的樂觀。”
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