2011年1月9日,星期日

军队& Air Force Fund Research into 'Invisibility Shields';科学家发明了能改变正常光行为的超材料

光折射
          

     
隐形功能通过将光向后弯曲的新型超材料屏蔽了近一步

媒体关系莎拉·杨(Sarah Yang)
加州大学伯克利分校
8-11-08

     BERKELEY –加州大学伯克利分校的科学家首次设计出可以逆转可见光和近红外光的自然方向的3-D材料,这种发展可以帮助形成更高分辨率的光学成像基础,从而实现高倍率的纳米电路。动力的计算机,以及让科幻小说和幻想迷们高兴的是,这种隐蔽设备会使人眼看不见物体。

超材料发展的两个突破-具有超强弯曲电磁波能力的复合材料-本周分别在8月13日的《自然》在线杂志和8月15日的《科学》杂志上分别进行了报道。

超材料的应用需要改变光的正常行为。对于隐形斗篷或盾牌,材料将需要使光波完全围绕物体弯曲,就像在岩石周围流动的河流一样。为了使光学显微镜能够识别单个的,活的病毒或DNA分子,显微镜的分辨率必须小于光的波长。

这种超材料中的共同点是负折射。相反,自然界中发现的所有材料都具有正折射率,该折射率是当从一种介质移动到另一种介质时电磁波弯曲多少的量度。

在关于折射如何工作的经典说明中,插入水中的电线杆的浸没部分看起来像是朝水面向上弯曲。如果水呈现负折射,则杆的浸没部分似乎会从水表面伸出。或者,举另一个例子,一条在水下游泳的鱼似乎在水面上方的空气中移动。

其他研究小组以前已经开发了在光频率下起作用的超材料,但是这些2-D材料已被限制在单个单层人工原子上,这些单原子的光弯曲特性无法定义。仅在更长的微波波长下才报道了具有负折射的较厚的3-D超材料。

美国国家科学基金会(NSF)资助的加州大学伯克利分校纳米级科学与工程中心教授张翔说:“我们所做的是采用两种截然不同的方法来挑战制造在光学频率上表现出负折射的块状超材料。” ),以及开发这两种新的超材料的研究团队的负责人。 “两者都使我们向超材料的实际应用开发迈出了重要的一步。”

张也是劳伦斯伯克利国家实验室材料科学系的教职科学家。

人类通过被称为可见光的窄电磁辐射带观看世界,可见光的波长范围从400纳米(紫光和紫光)到700纳米(深红光)。红外波长更长,从大约750纳米到1毫米不等。 (人发的直径约为100,000纳米。)

为了使超材料实现负折射,其结构阵列必须小于所使用的电磁波长。毫不奇怪,在更长的微波带中操纵波长方面取得了更大的成功,该微波带的长度可达1毫米,最长可达30厘米。

在《自然》杂志上,加州大学伯克利分校的研究人员将交替排列的银层和非导电氟化镁层堆叠在一起,并将纳米级鱼网图案切割成多层,从而形成了块状光学超材料。在短至1500纳米(近红外光范围)的波长下,研究人员测量了负折射率。

加州大学伯克利分校的研究生,《自然》杂志的合著者Jason Valentine解释说,每对导电层和非导电层形成一个电路或电流回路。将交替的层堆叠在一起会形成一系列电路,这些电路会与入射光产生的磁场相反地相互响应。

瓦伦丁还指出,这两种材料都实现了负折射,同时使光通过它们时吸收或“损失”的能量最小。在《自然》一书中描述的“鱼网”材料中,强烈相互作用的纳米电路允许光穿过该材料,并消耗更少的能量穿过金属层。

瓦伦丁说:“天然材料对光的磁场没有反应,但是我们在这里创建的超材料却有反应。” “这是第一种具有光磁性的散装材料,因此光波中的电场和磁场都会在材料中向后移动。”

《科学》论文中描述的超材料采用了另一种方法来实现向后弯曲光的目的。它由生长在多孔氧化铝内部的银纳米线组成。尽管该结构的厚度比纸薄约10倍-随意打喷嚏可能会将其吹走-但它被认为是块超材料,因为它的体积是光波长的10倍以上。

该科学论文的作者观察到短至660纳米的红光波长产生的负折射。这是散装介质向后弯曲可见光的第一个演示。

加州大学伯克利分校应用科学与技术研究生课程的学生姚耀表示:“垂直纳米线的几何形状是等距且彼此平行的,它们仅设计用于响应光波中的电场。”科学研究的主要作者。 “以与光波中的电场垂直的角度振荡的磁场基本上对直立的纳米线是看不见的,这一特征可显着降低能量损失。”

研究人员说,这种纳米线材料的创新之处在于,它找到了一种向后弯曲光的新方法,而无需在技术上实现负折射率。为了使超材料中的折射率为负,其介电常数(传输电场的能力)和磁导率(其对磁场的响应方式)的值都必须为负。

拥有真正的负折射率(例如,《自然》杂志中的渔网超材料所实现的折射率)的好处在于,它可以通过减少干扰来显着改善天线的性能。负折射率材料还能够逆转多普勒效应(多普勒效应),这种现象在警用雷达枪中用来监视过往车辆的速度,因此波的频率降低而不是在接近时增加。

研究人员说,但是对于吹捧超材料的大多数应用,例如纳米级光学成像或隐身装置,纳米线和鱼网超材料都可能发挥关键作用。

张说:“使这两种材料脱颖而出的是,它们能够在宽光谱范围内以较低的能量损耗起作用。” “我们还通过摆脱先前基于共振物理学的设计,开辟了一种开发超材料的新方法。以前在光学范围内的超材料将需要在某些频率下振动以获得负折射,从而产生强大的能量。共振不是纳米线和鱼网超材料中的一个因素。”

尽管研究人员欢迎超材料在光波长方面的这些新发展,但他们也警告说,它们与隐形斗篷和其他可能吸引想象力的应用相距甚远。例如,与在《哈利·波特》小说中出名的斗篷不同,这里描述的超材料是金属制成的,非常脆弱。他们说,开发一种大规模生产这些材料的方法也将是一个挑战。

尽管如此,研究人员表示,使用块状超材料在光波长下实现负折射是寻求此类设备的重要里程碑。

该科学论文的共同主要作者是博士后研究员刘兆伟;刘永民博士学生,加州大学伯克利分校张氏实验室的成员。

《自然》杂志的共同主要作者是博士后研究员张爽和托马斯·赞特格拉夫,他们也是加州大学伯克利分校张氏实验室的成员。

NSF帮助支持了这两种超材料的研究。此外,美国陆军研究办公室还为《自然》杂志上报道的工作提供了支持,而美国空军科学研究所则为《科学》杂志中描述的项目提供了资金。

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