话题五 远看是魔法，近看是光学

在《哈利·波特与魔法石》中，哈利·波特从父亲那儿继承了一件隐身斗篷，穿上后就能够神奇地隐身，可以神不知鬼不觉地在魔法学校里走来走去。在科学家眼里，哈利·波特的隐身斗篷是一个现实的光学问题，完美隐身可以通过改变光线的路径，使光线在平面介质中弯曲来实现。更神奇的是，科学家们还能利用时间透镜让光线突然消失，通过创造“时间裂隙”达到隐身的目的。

隐身斗篷即将问世

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隐身斗篷由包裹在玻璃纤维内的金属和线缆组成，可使光线以古怪的方式传播。研究人员说，实际制作并且运用这项技术比预期要容易些，但近期不要期待哈利·波特的隐身斗篷会成功面世。

在研究人员提出隐身斗篷的可行性技术构想仅仅几个月后，他们就展示了这种斗篷的雏形。这件隐身斗篷由包裹在玻璃纤维内的金属和线缆组成，可使光线以古怪的方式传播。美国杜克大学的戴维·舒里希（David Schurig）、戴维·史密斯（David Smith）及其同事共同设计了这种所谓“超材料”（metamaterial）中的同心环部件，让微波辐射沿最内圈弯曲，就像水绕开石块继续流动一样。与通常情况相比，这种新型圆环吸收或反射的微波更少。舒里希在2006年11月10日的《科学》杂志上评价他们的原型验证方案时说：“我们已经减少了物体产生的反光和影子，彻底消灭反光和影子正是隐身斗篷必须具备的重要特点。”研究人员说，实际制作并且运用这项技术比预期要容易一些，但近期不要期待哈利·波特（Harry Potter）的隐身斗篷会成功面世。

简易型“隐身斗篷”

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科学家们研制出了一种新型的隐身器件，这种器件的基础结构是两层金膜。当两层金膜叠放在一起时，它们之间就能形成一个被称为“锥面波导”的不可见区域。不过，这项技术只能隐藏一片二维区域，而不是一块三维区域。

近年来，光学研究人员提出了许多“隐身斗篷”的概念，也就是通过有效弯曲物体周围的光线来使该物体隐身。大部分隐身方法都依赖于一种被称为“超材料”的物质。它们的结构经过精心设计，具有异乎寻常的光学性质（参见《环球科学》2006年第8期《超透镜　颠覆光学常识》一文）。不过，一种简单得多的隐身器件，可以完全不需要这种所谓的“超材料”。

美国华盛顿特区BAE系统公司、陶森大学及普渡大学的研究人员已经研制出了一种新型的隐身器件。这种器件的基础结构是两层金膜，一层覆盖在一块弯曲透镜的表面，另一层覆盖在一片平板玻璃的表面。当两层金箔叠放在一起时，它们之间就能形成一个被称为“锥面波导”（tapered waveguide）的不可见区域。这种方法的窍门在于材料的折射率具有一定的梯度，因此，如果从平行于镜片组的方向入射进来，光线所经的路径就会弯曲，绕过中心区域——用这项研究的合作者、普渡大学电气及计算机工程教授弗拉基米尔·沙拉耶夫（Vladimir M. Shalaev）的话来说，这“就像水流绕过了一块石头”。

2007年，一个研究组曾经借助“超材料”设计出了可见光波段的“隐身斗篷”，当时沙拉耶夫正是那个研究组的成员。但是，那件“斗篷”只对预先设定的特定波长的光线有效，而且只能隐藏一块极小的区域。相比之下，波导隐身器件能够在多个波长的可见光下使用，能隐身的区域也大得多。谈及制作“隐身斗篷”时，沙拉耶夫说：“从一开始，我们就意识到这是一个巨大的挑战。不是说完全不可能，而是真的，真的太难了。”

英国伦敦帝国学院的物理学家约翰·彭德里（John Pendry）评论说，锥面波导隐身法是一个“非常聪明的主意”。苏格兰圣安德鲁斯大学的物理学家乌尔夫·莱昂哈德（Ulf Leonhardt）也同意这一观点，他把2009年5月29日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上的相关论文称为“一项天才的工作、一个简便而绝妙的构想”。不过，这两位科学家都指出，这项技术只能隐藏一片二维区域，而不是一块三维区域。“大概你想隐藏的东西也不太可能被压进一个二维平面。”彭德里如此评论。尽管如此，这项研究成果仍会在光学通信领域中大有作为。

创造“时间裂缝”

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有一种被称为“时间透镜”的设备能让一部分激光束加速，另一部分减速，这样就会出现瞬间无激光束的情况。只要在光束到达探测器之前恢复原来的样子，就能使发生于“时间裂隙”中的事件逃避探测器的探测。

数年来，物理学家一直都在改进所谓的“隐身斗篷”——一种能巧妙地让光线绕过特定区域，有效隐藏该区域中任何物体的物理装置。现在，美国康奈尔大学的研究人员已经制作出第一个“时间斗篷”，这种装置能在某一特定时刻隐藏物体或事件。

在一次初步演示实验中，康奈尔大学的博士后研究员莫蒂·弗里德曼（Moti Fridman）和同事让一束激光穿过一台实验设备后，射入一个探测器。如果这束激光的路径上有一个物体，甚或另一束激光，通常都会产生扰动，并被探测器记录下来。然而，在一些巧妙设置的光学系统的帮助下，弗里德曼及其合作者能在激光束中短暂地开启一个“时间裂隙”，使光束如同不曾受到影响一样，探测器也就无法记录到任何干扰。在这个裂隙里，任何本应对激光束造成影响的东西（如一件物体）都能躲过去，不留下任何能被探测器捕捉到的痕迹。

研究人员能使用这个“斗篷”来隐藏一个光脉冲。在通常情况下，光脉冲会同激光束发生相互作用，在特定波长处产生一个尖峰，以表明它的存在。而当这个事件被隐藏后，这个标志性的尖峰就几乎探测不到了。

在2012年1月5日的《自然》杂志上，康奈尔大学的科学家发表了这项研究，他们在论文里介绍道：这种“斗篷”的理论基础是光的一种性质，即在某种介质中，不同颜色光线的传播速度不同。利用一种被他们称为“时间透镜”的设备，研究人员先将单色激光束分离成一系列波长不同的光，然后将它们中的一半减速，同时使另一半加速，这样就制造出一个很短暂的“时间裂隙”。只要在光束到达探测器之前，通过反转之前的透镜分离过程，将光线恢复成受干扰前的单一波长，就能让“裂隙”再次闭合。

这个由弗里德曼和同事制造的“时间裂隙”极其短暂——只有50皮秒（1皮秒＝10 ^-12 秒）。研究人员指出，将这个尺度增大一些是有可能的，但散射和扩散效应会将“时间斗篷”的尺度限制在几个纳秒（1纳秒＝10 ^-9 秒）的范围内。

不反光的表面涂层

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美国科学家将5层纳米棒堆叠在一起，每一层都具有不同的折射率（从最底层的2.03到顶层的1.05），从而将纳米棒涂层的反射率降为0.1％。这种涂层可以应用在发光二极管和太阳能电池上，有助于提高这些设备的功效。

利用一种折射率与空气非常接近的材料，研究人员发明了一种几乎不反射光线的涂层。材料的折射率反映了光穿过这种介质时的速度，从而决定了光路通过这种材料时发生的扭曲程度，也决定了反射光线的强弱。这种新材料由一种透明的半导体晶片构成，上面覆盖了无数倾斜的纳米棒。研究人员将5层纳米棒堆叠在一起，越下层的纳米棒越疏松，这样就可以逐层改变涂层的折射率，从最底层的2.03（与半导体晶片相近）降为顶层的1.05（与空气相似，空气的折射率为1.0）。美国伦斯勒理工学院的弗雷德·舒伯特（E. Fred Schubert）和他的小组在2007年3月的《自然－光子学》（Nature Photonics）杂志中指出，这种涂层的反射率可以低到0.1％。这种涂层可以应用在发光二极管（LED）和太阳能电池上，有助于提高这些设备的功效。

硬币上的显微镜

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你见过不需要透镜的显微镜吗？这种显微镜的工作原理是，利用密布感光像素的芯片检测从光栅上飘过的目标阻断射向部分感光像素的入射光，从而根据光线强弱绘制出目标物的图像。

一台不需要透镜、大小如硬币一般的显微镜，似乎可以快速又经济地检查血液，从中检出癌细胞和寄生虫。这是美国加州理工学院的杨昌辉（Changhuei Yang）及其小组制作的一台仪器，光线照射在流过窄小通道的液体样品上，其下是间距10微米、宽1微米的光栅。光线通过一个小孔照射在一个半导体芯片上，芯片上密布的感光像素与数码相机类似。从光栅上飘过的目标阻断射向部分感光像素的入射光，这些像素便可以根据光线强弱的变化绘出目标的图像。小到0.8～0.9微米的细节都清晰可辨（癌细胞的大小通常为15～30微米）。杨昌辉说，有了基于芯片的显微镜，“就再也不用担心会打破透镜了”。这台显微镜的设计灵感来自于眼中由死细胞和其他碎片构成的“飘浮物”。更妙的是，这样一台显微镜的成本只需10美元。

升级X射线扫描仪

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普通X射线成像技术利用目标物体吸收、透射或散射的光线来成像，这种方式往往因为一些细节太过微小而无法辨识。英国物理学家及其同事另辟蹊径，利用X射线穿透物体时产生的微小偏折来成像，能帮助人们分辨更多的关键细节。

X射线几乎能帮助人们发现任何隐藏着的东西，如行李中的炸弹和乳房里的肿瘤，但如果使用普通X射线仪，一些关键细节或许会因为太过微小而无法辨识。现在，一种由原子加速器（atom smasher）改造而成的新型X射线技术，能帮助人们分辨更多的关键细节。

传统照相技术利用目标物体吸收、透射或散射的光线来成像。广泛使用的X射线成像技术也基于类似的原理，只是X射线取代了可见光。为了获取细微细节，通常需要大量X射线照射。想要达到这个目的，要么延长暴露时间，要么使用回旋加速器或同步加速器上的高能X射线源。然而，前一种方法的辐射剂量太大，会对检测目标造成损伤；后一种方法所需的设备又极其昂贵，难以实行。

英国伦敦大学学院的物理学家亚历桑德罗·奥利沃（Alessandro Olivo）及其同事另辟蹊径，利用X射线穿透物体时产生的微小偏折来为物体成像。实际上，他们是想把“相位对比成像”这种已在同步加速器上使用了15年的技术，搬到普通X射线仪上。

科学家在普通X射线仪上安装了两片约100微米厚的金属光栅，分别放置在目标物体的前后。第一片光栅上的小孔与第二片上的小孔不完全对齐。也就是说，当沿直线传播的X射线通过第一片光栅后，会被第二片阻挡，这样就降低了背景干扰。而探测器只会接收并分析通过物体后发生偏转了的X射线光子。与普通成像技术相比这种方式能将对比度提高至少10倍。“所有细节都能看得更清晰，以前认为很难探测到的细节也能看到了。”在谈论最近发表在《应用光学》（Applied Optics）杂志上的这项发现时，奥利沃如此说道。虽然普通X射线仪通常能探测到炸弹，却不容易将它们同其他材料（如塑料或液体等）区分开来。目前，科学家设计新的光栅，希望能让成像灵敏度更上一层楼。此外，他们还在研究从多角度探测目标物体的三维扫描技术。

这种成像系统仅需几秒钟就能完成成像，比其他相位对比成像技术快得多，因为后者在成像时功率不够大，需要数分钟才能完成，英国萨里大学的放射物理学家戴维·布拉德利（David Bradley）说。但英国曼彻斯特大学材料科学家菲利普·威瑟斯（Philip Withers）说，现在还无法确定的是，该系统的成像速度是否快到可以实现安全扫描。威瑟斯相信，升级后的X射线扫描技术能为医学成像以及航空材料缺陷的检测带来进步。 iF0qZoAdwqXawQg8prBwtJBwwGqyjsIcmC3AcQsMX3bjHJIZIgqRsHBo6eXM612z