隱形斗篷可能很快就不再是科幻電影裡的東西了。
近日，廈門大學物理科學與技術學院陳煥陽課題組聯合Qiaoliang Bao教授在研究中發現，利用一種常見的二維天然材料三氧化鉬(α-MoO₃)可取代昂貴且難以生產的超材料製造隱身器件。
這意味著，未來製造隱形裝置的門檻會大幅降低，許多科幻電影小說中描述的情形有望在現實中出現。該研究成果發表在國際期刊《奈米光子學》雜誌上。
隨著科學技術的發展，“隱身術”不再只是人類的幻想。隱形飛機、隱形裝甲機、隱形軍艦等在軍事領域的應用已較為普遍。不過因為要實現器件的完美隱形需要透過人類設計出自然界原本沒有的超材料才能實現，“隱身術”的應用距離普羅大眾生活仍有一段距離。
而此次研究中，天然材料三氧化鉬(α-MoO₃)被發現具備超材料的特性，無需複雜加工即可成為理想的隱形材料。
“低可探測技術”與超材料
通常人們所說的“隱身術”在科技領域實際上是一種“低可探測技術”，即利用各種不同的技術手段來改變目標物可探測性資訊特徵。例如，採用獨特設計的吸波、透波材料降低目標物對電磁波、光波的反射，或採取隔熱、散熱措施減弱目標物的紅外輻射，亦或透過折射光線使人眼無法察覺目標物，使其降低被發現的可能。
隱形技術涉及電磁場原理、聲學、光學、紅外工程學等多種學科，屬於典型的跨學科應用科學技術。而其中隱形材料是隱身技術發展的關鍵。
近年來，超材料因其能突破傳統的光學定律，在理論上實現最佳的隱身效果而倍受科學界廣泛關注。同時，基於超材料支撐的變換光學自2006年提出後，成為一門新興學科，也成為物理學界的熱門話題。
所謂超材料是指一類特殊性質的人造材料，經過人為對其微結構的改造，能夠操縱電磁波，改變波的傳播路線，使波發生彎曲，以達到繞射傳播的目的，實現傳統材料無法實現的隱身效果。超材料的出現和發展，使許多具有不同功能的器件被設計和實現，例如隱身斗篷、光學錯覺裝置、旋轉器等。
特別是自2006年Leonhardt和Pendry等人關於隱形的論文發表後，隱身衣已成為電磁學、物理學、光學、材料科學及交叉學科最前沿和最熱門的研究領域之一。不過，為了實現上述隱形效果，通常需要簡化電磁引數以避免無限大或負數的情況，且還需要用複雜結構等效出梯度折射率材料，這些過程需要昂貴的光刻技術和繁瑣的製造方法，並且最終的實際效果也會因存在較大散射和偏差而大打折扣。
天然雙曲材料有望替代超材料
針對這些問題，廈門大學物理科學與技術學院陳煥陽教授團隊在變換光學基礎上，大膽設想，透過尋找設計一種二維天然材料的折射率分佈實現超材料操縱光行為的效果。近日，他的一項最新模擬計算表明，這種天然材料被找到了：使用三氧化鉬（α-MoO₃）製造隱形裝置，可以達到超材料實現的隱身效果。
α-MoO3隱身聚光器模型
研究人員使用了一種當前熱門的自然雙曲材料α-MoO₃，發現當把α-MoO₃薄片卷在圓柱形光纖上時，在中紅外電磁照明下的物體從視覺上消失了。
研究人員解釋，達到結構的法布里-珀羅共振的光能夠以極小的散射透過α-MoO₃隱身聚光器傳播並且能量在中心處得到加強，達到隱藏電磁照明下的物體的目的，即隱身。
陳煥陽解釋：“三氧化鉬把光沿著一定方向擠壓進核心，相當於把光抓進了物體內，如果折射率和阻抗匹配，就感覺核心不存在，產生了隱身的效果。”
此外，利用α-MoO₃代替超材料製造的新興隱形器件在特定光源位置還表現出錯覺效應，使得我們無法透過外場判斷光源的真實位置。
該研究結果表明，雙曲材料，如α-MoO₃和V₂O₅，作為變換光學的新的材料基礎，可以產生更多超越隱形聚光器的新奈米光子概念，如多頻超散射、變換等離激元學等。
“這是二維材料首次被用於變換換光學器件的設計，通常我們需要超材料，但這次要簡單得多。”陳煥陽介紹，人們通常認為，實現完美的隱身效果很大程度上要依賴人造材料，這次實驗的成果為天然二維材料替代超材料製造隱形器件提供了新的可能，而且相比超材料，這種材料更具有價格和製作上的優勢。
除此之外，傳統的超材料具有跨尺度製備難題。比如超材料人工原子為奈米結構，需要跨尺度製備如毫米尺寸器件，其計算、設計和製備都非常困難。而真正投入應用的隱形器件例如隱身斗篷，則需要更大尺寸，製備難度可想而知。而利用二維層狀材料，特別是具備光學各向異性的二維層狀材料，作為類似人工超材料的基本構築單元，可以突破這個跨尺度製備難題。
另外，最近他們的另一個課題表明，透過引入石墨烯還可以做到動態電調控，實現多物理場的變換光學器件。調控石墨烯的電壓，石墨烯和α-MoO₃異質結的各向異性也可以靈活調控。
新材料及其新特性的發現有望帶來新應用
當前，隱形材料應用市場主要集中在軍事領域，而在民用領域尚未實現商業化應用。這主要因為，不同軍事領域隱形材料主要針對偵查儀器隱形，而隱形材料在民用領域的研究方向主要針對肉眼隱形，研製針對視覺隱形的材料技術難點相對較高。
研究人員表示，實驗表明二維天然雙曲材料具有的奇特效能夠彌補超材料的各種侷限，使隱形器件的製造過程更簡便、更便宜，有望將隱形技術推向民用市場。
這項研究在初步實驗中取得令人滿意的結果，不過仍然處於驗證階段。“各向異性和漸變是超材料的特性，也是變換光學所需要的，如果二維材料也能類似調控，將是一個非常有前景的領域。”陳煥陽介紹，另一項研究中，Qiaoliang Bao和Cheng-Wei Qiu教授課題組合作構築的疊層結構，已經可以透過控制兩片三氧化鉬晶體的疊層轉角，從光學上實現從橢圓色散到雙曲色散的各向異性連續調控。雖然目前漸變調控還稍微困難，相信不久的將來能夠攻破。
研究人員表示，如果這些科學問題都能解決，也許可以催生一個變換等離激元學的新研究方向，對將來片上光子學晶片的整合和靈活操控，大有裨益。這些課題目前都是偏應用基礎性的研究，在產業和商業化應用上還有相當長的一段路要走，但毋庸置疑，新材料及其新特性的發現一定會帶來一些新的應用。
來源：廈門大學
