變換光學(xué)（Transformation optics）和超材料（metamaterial，也稱人工結(jié)構(gòu)材料）能在實(shí)驗(yàn)室里制造科幻隱身斗篷，有希望實(shí)現(xiàn)很多前所未見的光學(xué)壯舉——現(xiàn)在的一大挑戰(zhàn)是將象牙塔里的新概念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

　　超材料已經(jīng)改變了光學(xué)規(guī)則。納米結(jié)構(gòu)材料能在亞波長(zhǎng)范圍控制光，對(duì)長(zhǎng)期被認(rèn)為不可行的、從負(fù)折射到隱形斗篷產(chǎn)生影響。十二年來(lái)，以前一直讓人反應(yīng)過(guò)激的超材料已發(fā)展成為最讓人興奮的光子學(xué)領(lǐng)域之一。

　　然而，超材料和變換光學(xué)的這一光明前景源于其已經(jīng)慢慢擴(kuò)展到實(shí)際應(yīng)用中。隱形斗篷能在實(shí)驗(yàn)室被演示，但通常只能從一個(gè)特定的角度看隱藏在單色光照射下的小物體。主要影響取決于共振，所以他們?cè)趯拵д彰飨虏荒芄ぷ?。遠(yuǎn)小于光波長(zhǎng)的納米結(jié)構(gòu)很難精密制造，批量制造更難。能與光波實(shí)現(xiàn)理想交互的結(jié)構(gòu)材料很難找到。當(dāng)前的挑戰(zhàn)是克服這些限制并開發(fā)出實(shí)際應(yīng)用。

　　超材料的發(fā)展

　　超材料第一次被演示是在微波頻率，是從對(duì)人造介質(zhì)的早期研究中發(fā)展起來(lái)的。基本理念是將很多亞波長(zhǎng)單元陣列（包括導(dǎo)體和介質(zhì)）組裝成體結(jié)構(gòu)，否則無(wú)法獲得超材料特性，特別是折射率。

　　傳統(tǒng)光學(xué)中，折射率n通常被定義為光在真空中傳播速度與在該材料中速度的比值。然而，潛在物理意義依賴于兩個(gè)更基本的數(shù)據(jù)——介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ，n實(shí)際上等于

　　n=±εμ

　　在真空中，ε和μ都被定義為1，所以在真空中n=1。在介質(zhì)中（如玻璃材料）中這兩個(gè)數(shù)據(jù)都是正數(shù)；但在可見光波段導(dǎo)體中有負(fù)介電常數(shù)、正磁導(dǎo)率，所以他們的復(fù)數(shù)折射率有一個(gè)大的負(fù)分量，因此金屬有大的衰減。

　　成分均勻的天然材料，其折射率是均勻的，因?yàn)楣獠ㄖ?ldquo;看”體材料，而不是原子。同樣，對(duì)光波來(lái)說(shuō)，超材料具有均勻的折射率，因?yàn)楹芏嘞嗤?、間隔均勻的單元尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)。然而，這種建構(gòu)的超材料的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)值能被設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)不可能實(shí)現(xiàn)的折射率，如n=-1時(shí)，光進(jìn)入超材料后便可使光向后彎曲。

　　超材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的有效性取決于光波如何與內(nèi)部成分交互作用。規(guī)則金屬線陣列能產(chǎn)生有效的介電常數(shù)，根據(jù)不同的尺寸、間距和排列方式，介電常數(shù)可從正數(shù)到負(fù)數(shù)間變化。同樣，調(diào)整開口環(huán)單元的設(shè)計(jì)方式就能產(chǎn)生大范圍的磁導(dǎo)率。光學(xué)效應(yīng)與配備亞波長(zhǎng)天線陣列的無(wú)線電波的效應(yīng)相似。

　　變換光學(xué)

　　由亞波長(zhǎng)單元的均勻陣列構(gòu)成的超材料基本上都是為獨(dú)特性質(zhì)設(shè)計(jì)的定制材料。然而，當(dāng)設(shè)計(jì)拓展到包括亞波長(zhǎng)單元的非均勻陣列，將產(chǎn)生更多選擇，為變換光學(xué)這一新領(lǐng)域打開了大門，將超越幾何光學(xué)、在超材料中操縱電磁場(chǎng)。

　　“我們對(duì)光的直覺理解是把它近似為射線，與我們的視覺緊密相關(guān)。對(duì)我們的眼睛來(lái)說(shuō)，光的行為就像粒子流。”超材料先驅(qū)、帝國(guó)理工的John Pendry在Science期刊里寫道。標(biāo)準(zhǔn)光線近似法認(rèn)為光以直線方式穿過(guò)物體，從而得到一個(gè)均勻的折射系數(shù)。然而，在亞波長(zhǎng)范圍，光線影像失效，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能以任意方式改變電場(chǎng)線和磁場(chǎng)線的傳播，這在傳統(tǒng)塊狀光學(xué)中是不可能的。這就是變換光學(xué)的領(lǐng)地。

　　傳統(tǒng)光學(xué)用費(fèi)馬原理描述折射率的變化如何影響光的傳播路徑。“變化光學(xué)這一新興領(lǐng)域使我們可以相反地解決問(wèn)題，也就是，如何通過(guò)設(shè)計(jì)各種材料的屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)特定光路。”Liu Yongming和Zhang Xiang寫道。因此，為了使用隱形斗篷隱藏物體，他們可以指定他們想要的光路來(lái)引導(dǎo)光，然后使用變換光學(xué)設(shè)計(jì)跟隨這一光路的光所需的超材料。

　　設(shè)計(jì)二維隱形斗篷需要繞過(guò)隱藏物體的光路；變換光學(xué)就被用來(lái)設(shè)計(jì)這樣的超材料斗篷。變換光學(xué)同樣可以用于設(shè)計(jì)制造各類鏡頭、光束旋轉(zhuǎn)器、波束移位器以及光幻視所用的超材料結(jié)構(gòu)單元。

　　超材料建構(gòu)塊

　　變換光學(xué)建構(gòu)塊基本上與其他超材料中用的亞波長(zhǎng)單元相同。除了金屬，還有電介質(zhì)、金屬-介質(zhì)結(jié)構(gòu)界面產(chǎn)生的表面等離子體激元。這些單元的尺寸和形狀通過(guò)超材料期望的形變而變化。在可見光波段，單個(gè)單元必須小于400？700nm，或者某些超過(guò)固體中的1000原子寬。

　　研究人員正在探索更多方向。金屬的強(qiáng)磁反應(yīng)可用于生產(chǎn)獨(dú)特的交互作用，但是在近紅外和可見光波段損失大。金屬在光學(xué)和紅外波段的反應(yīng)有所不同。金屬結(jié)構(gòu)的共振效應(yīng)能產(chǎn)生強(qiáng)交互作用，但效應(yīng)峰值超出了限制范圍。電介質(zhì)能具備更多的寬帶響應(yīng)和更低的損耗。

　　正在探索的各種可能性中，電介質(zhì)納米腔共振具有高折射率，這一性質(zhì)能提供比金屬更低的損耗，比真空波長(zhǎng)更小的尺度。比如， Valencia理工學(xué)院的Lei Shi及其同事（馬德里，西班牙）研究了小至250納米硅膠的近紅外共振。他們看好利用空氣和水等液體的超材料。

　　平面超材料表面

　　光學(xué)超材料體的制造已經(jīng)遇到挑戰(zhàn)，一些研究人員正在研究平面結(jié)構(gòu)。“光學(xué)人工結(jié)構(gòu)表面具有用表面局限、平面分量控制光的可能性，讓人著迷。“Purdue 大學(xué)（BloomingTon， IN） 的Vladimir Shalaev和同事最近寫道。”超材料表面促使新物理學(xué)和現(xiàn)象與三維結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的方面明顯不同。它們還與片上納米光子學(xué)兼容。

　　這些超材料表面將薄金屬和電介質(zhì)圖形沉積在一個(gè)基片上。其響應(yīng)與體材料的反射和折射不一致，而且取決于亞波長(zhǎng)層的光色散。至今為止，已經(jīng)在包括紅外波段的負(fù)折射表面天線陣列和光波段的平面手性效應(yīng)等方面做過(guò)演示實(shí)驗(yàn)。超材料表面也在未使用體材料條件下產(chǎn)生了3D效應(yīng)，Purdue團(tuán)隊(duì)希望他們也能控制光的相位、偏振和頻率。

　　Purdue團(tuán)隊(duì)寫道，相變材料可以集成到平面半導(dǎo)體超材料表面以用于光開光、光束控制，脈沖整形或調(diào)制。他們還提出制造雙曲線超材料表面的可能性，類似于通過(guò)金屬和介電元件的交互產(chǎn)生強(qiáng)各項(xiàng)異性和雙曲線色散來(lái)批量制造雙曲線超材料。體材料版可以極明顯改變光的行為，但存在損耗，很難制造。然而，Purdue團(tuán)隊(duì)認(rèn)為準(zhǔn)二維雙曲線超材料表面損耗更低，能用于標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體技術(shù)。

　　對(duì)開發(fā)光學(xué)超材料應(yīng)用潛力而言，變換光學(xué)已成為功能強(qiáng)大的范例。Pendry寫道“對(duì)電磁學(xué)來(lái)說(shuō)，這種方法的關(guān)鍵好處是物理內(nèi)涵，“，他預(yù)測(cè)，” 電磁理論中，變換光學(xué)將成為首選設(shè)計(jì)工具。“

　　面臨的挑戰(zhàn)可能和潛在的發(fā)展前景一樣大。此時(shí)此刻，超材料革命正在全世界各個(gè)實(shí)驗(yàn)室的諸多研究方向進(jìn)行。納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造需要新的突破。為制造超材料而用的最佳形狀和原料方面尚未形成一致意見。應(yīng)用領(lǐng)域也還不確定。象半個(gè)世紀(jì)前的激光一樣，今天的超材料似乎成為了一種解決方案，正在尋找問(wèn)題，但我們知道如何實(shí)現(xiàn)它。