作者：龚雨晴（先进材料国际化示范学院16级本科生）

指导：文韬（华南软物质科学与技术高等研究院特聘研究员）

图1 穿着隐形衣的哈利·波特  ^[1]

　　在哈利·波特的魔法世界中，有一件奇妙的“隐身斗篷 (invisibility cloak)”，它可以使人或者物品隐身，无法被别人看到 （图1）。在现实生活中，这样的隐身衣是否真的存在呢？答案是肯定的。只不过，实现隐身效果所依赖的并不是魔法，而是物理学原理。我们可以看见一个物体，是由于光线会在这个物体表面发生散射，我们的眼睛通过接收这些散射光来进行成像。实现“隐身”的关键正是减少光线的反射。如果有一种材料，可以吸收特定波长的光线，就可以让我们的眼睛无法察觉它的存在。显然，日常生活中的普通材料无法实现这个功能。但是，当一种材料具有负的折射率（reflective index）时，就可以实现这一效果。

　　通常，材料的折射率都是正值。比如，我们将一个吸管放入装满水的杯子中，会发现水中的吸管和空气中的吸管发生了“错位”，二者具有平行的取向（图2a左）；这是由于水的折射率要高于空气。假设水具有负的折射率，我们会看到图2a右的情况：空气中的吸管和水中的吸管朝向相反。可见，当材料具有负折射率时，会表现出有别于传统材料的性质（图2b）。这类具有“超常规”性质的材料，也被称为“超材料 (metamaterials)” 。

图2（a）吸管插入具有正折射率（左）和负折射率（右）的水中时所看到的情景 ^[2]（b）普通材料的折射与左手超材料的折射比较的抽象物理模型图 [3]

　　超材料是一种特种复合材料或结构，通过对材料关键物理尺寸进行有序结构设计，使其获得常规材料所不具备的超出物理性质[GB/T 32005-2015]。超材料利用金属线圈、开口环式谐振器（Split-Ring Resonator，SRR）等人为的方式创造，所以具有一般自然物质没有的电磁特性  ^[4]。负折射率只是超材料特殊性质的其中一种，超材料还具有超磁性，光子带隙等多种特殊性质。

　　超材料为什么会具有许多如此独特的性质呢？这要追溯到超材料的微观结构（图3）。通常，超材料由许多个有序排列的手性结构基元组成的。非对称的手性结构赋予了材料特殊的物理性质，狭义超材料也被称为“左手材料”。手性（chirality）指一个物体不能与其镜像相重合，如果某物体镜像与原物体不能重合，则其被称为“手性的”，就如同左手和右手是“手性的”。

 图3 周期性排列的的手性结构组成的超材料  ^[5]

　　在已知的物质世界中，对于电介质而言，介电常数 ε 和磁导率 μ 都为正值，电场、磁场和波矢三者构成右手关系,这样的物质被称为右手材料(right-handed materials, RHM)。而左手材料(left-handed materials, LHM)的介电常数 ε 和磁导率 μ 都是负值，通常也被称为“负折射系数材料”，或简称“负材料”。2001年，美国杜克大学的David Smith教授，利用以铜为主的周期性的金属条和金属开口环式谐振器，首次制造出在微波波段具有负介电常数、负磁导率的物质，即适用于微波波段的左手材料 ^[6]，自此打开了左手材料的大门。

　　特殊的物理特性使得左手材料在固体物理、材料科学、光学和应用电磁学等众多领域有着潜在的应用前景。例如，超材料已经成功地用于飞机的电磁屏蔽涂层，使其对特定波长的电磁波实现“隐身”。此外，超材料还可以用于制作“超透镜 (metalens)”。对于传统玻璃透镜而言，其最高分辨率取决于衍射极限；而超透镜可以在衍射极限以下成像。2016年，美国哈佛大学的Federico Capasso 教授在《Science》上发表了有关超透镜的研究报道。他们使用高长宽比的二氧化钛纳米纤维制作了厚度只有600纳米的透镜 ^[7]。这个比普通纸张还要薄的透镜的放大倍数可达170倍，同时还能保证极高的成像质量。

　　除了隐身材料和超透镜，超材料还可用于光学滤波、医疗、航空航天、传感器检测、甚至地震屏蔽等多个领域。相信在不久未来，超材料就会广泛地进入我们的日常生活。

参考文献：

[1] https://harrypotter.fandom.com

[2] https://www.scoop.it/topic/wave-behaviors-1

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Metamaterial

[4] https://baijiahao.baidu.com/s?id=1576600861932136153&wfr=spider&for=pc

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Split-ring_resonator

[6] D. R. Smith,R. A. Shelby,S. Schultz, et al. Applied physics letters, 2001, 78, 489-491.

[7] Devlin, Robert C.,Oh, Jaewon,Zhu, Alexander Y., et al. Science, 2016, 352, 1190-1194.