第163章 未来科技

  “那么，如何製造超材料呢？其原理是：用至少一种具有负磁导率的材料和至少一种具有负介电常数的材料，构建出特定的几何结构图案。通常，这些图案会以重复单元（称为 “单元结构”）的形式排列，並且每个单元结构的尺寸要小於它所作用的光的波长。从宏观层面来看，將具有负磁导率的材料与具有负介电常数的材料结合，就能得到一种具有负有效折射率的材料。“

  “我们可以用你的 led 电脑显示器屏幕来举例说明这一原理。虽然显示器屏幕本身並非超材料，但它能帮助我们理解许多材料的工作方式。led 屏幕由大量像素组成，每个像素实际上是由红色、绿色和蓝色的 led 元件组合而成。通过像控制一组小型彩色灯泡的亮灭那样，控制红色、绿色和蓝色 led 元件的开关，一个能够產生几乎任何色调和亮度的像素就形成了。当我们从远处观察时，看到的就是此刻你正在观看的视频画面。你不会去关注每个像素具体的色调和亮度，更不会留意每个像素中各个 led 元件的工作状態，你所关心的只是能够看到这些神奇的动態画面。而这样的画面，在几代人之前还只是人们的幻想，在更早的祖先眼中，甚至可能被视为近乎魔法般的存在。“

  “你的近几代祖先可能了解彩色灯光和电灯开关，但他们完全无法想像如何將这些技术提升到製造 led 屏幕所需的水平，也无法想像如何以足够快的速度控制这些元件，从而形成动態画面的视觉效果。超材料的原理与此类似：其单个组成元件的行为与我们所熟知的普通材料並无不同，但当这些元件与其他元件组合在一起形成整体时，超材料所表现出的特性就与传统材料大相逕庭了。“

  “在超材料中，单个元件需要被构建成特定的几何形状，且这些元件的尺寸要小於该材料所要操控的光、辐射或声音的波长。这就意味著，直到最近，超材料的设计还只能用於操控无线电波和声波，而无法操控可见光。因为製造出能够与无线电波或声波的较长波长相匹配的元件要容易得多。微波是无线电波中波长最短的一种，其波长约为 1 毫米或更长，这比波长最长（约 1400 纳米）的近红外线还要长 7000 多倍。“

  “製造出尺寸小於可见光（波长 390-700 纳米）甚至近红外线（波长 750 纳米 - 14 微米）波长的几何结构，是一项极具挑战性的任务。在这些光的波长范围內製造元件之所以困难，是因为原子的直径仅为 0.1-0.3 纳米，要在如此小的空间內构建元件，可容纳的原子数量非常有限。举个例子，我们通常认为人体生物细胞已经非常微小，但它们的直径通常有数千纳米，甚至更大，因此我们可以用显微镜藉助可见光观察到它们。而超材料的单个单元结构需要小於数百纳米，也就是要小於光的波长。“

  “不过，近几十年来，我们在微型製造领域已经取得了显著进步。现代处理器中的电晶体尺寸约为 14 纳米，这比我们能看到的最长波长的光（接近红外线的深红色光）还要小 50 倍，比我们能看到的最短波长的光（接近紫外线的蓝色和紫色光）还要小 30 倍。所以，如今我们已经能够製造出处於这一尺寸范围的元件了。但问题在於，在达到我们想要操控的光的波长尺寸之前，可供我们使用的材料非常有限，而且我们无法製造出均匀且完全相同的元件。“

  “这並不是说製造可见光和红外线波段的超材料是不可能的，只是它们的製造难度要大得多。目前，我们已经有了一些相关实例，这些超材料通常是由两种差异极大的材料形成的极薄涂层构成，且涂层组合的厚度远小於光的波长。“

  “首先，让我们来谈谈基於无线电波的超材料及其製造方法。这类超材料是我们目前了解最为透彻的，也是最早被研发出来的。正如前面所提到的，大多数天然材料的介电常数和磁导率均为正值，但也存在例外情况：铁氧体的介电常数为正，磁导率为负；而等离子体的介电常数为负，磁导率为正。“

  “金属具有所谓的 “等离子体频率”，且这一频率低於光的频率范围。在高频情况下，金属的行为类似於等离子体。通常情况下，金属是良好的导体，但当频率高於其等离子体频率时，金属就会变成不良导体，电流无法正常產生。这会导致电磁波能够穿过金属，就像穿过有损耗的真空，而不是穿过固体物质一样。“

  “如果我们製造出非常小的金属棒，就能让它们在特定的波长范围內表现出类似等离子体的特性，从而获得负介电常数；如果我们製造出小的铁氧体环，就能让它们在特定的波长范围內获得负磁导率。然而，这些材料单独使用时，並不能產生有用的负折射效果。只有当我们將金属棒和铁氧体环组合在一起时，神奇的效果才会出现 —— 我们得到了一个超材料单元。將大量这样的单元进行扩展排列，就能得到一种同时具有负磁导率、负介电常数和负折射率的材料。金属棒和铁氧体环单独存在时，都无法產生奇妙的负折射现象，但它们组合在一起后，就实现了这一效果。至此，我们製造出了第一种超材料。“

  “那么，这种超材料能用来做什么呢？假设你想要將一束无线电波聚焦到接收器上。如果你使用一块传统材料製成的聚焦透镜，它反而会使无线电波更加分散；而如果使用一层超材料，情况则会完全相反。更棒的是，这种超材料可以被製成平面形態，却依然能够將无线电波集中到接收器上，这对於电子设备来说无疑是一大福音。我们实现了製造完美透镜的终极目標 —— 这种透镜能够聚焦辐射，且不需要通过改变透镜厚度来实现这一功能。我们对超材料结构的操控越精准，就能用它製造出適用於更短波长的透镜。“

  “超材料还能实现其他有趣的功能。例如，假设你希望只有特定波长的无线电波能够进入接收器，以 wi-fi 的 2.4 吉赫兹频率（对应波长 12.5 厘米）为例，我们可以对超材料单元进行调节，使得这种超材料仅在 wi-fi 频率范围內起到完美透镜的作用，而其他频率的无线电波则会像遇到普通材料一样被散射或產生其他作用。这样一来，信號的信噪比会显著提高，我们就能获得更高效、更高质量的 wi-fi 信號。“

  “我们还可以利用超材料实现一种名为 “反向都卜勒效应” 的现象：通过改变超材料单元的几何结构，我们实际上可以补偿任何都卜勒效应。如果你曾经听过车辆行驶时喇叭或警报器的声音，就会对都卜勒效应有所体会 —— 当车辆向你靠近时，声音的音调会升高（我们称之为 “蓝移”）；当车辆远离你时，音调会降低（我们称之为 “红移”）。在天文学中，你也会接触到这一概念：当恆星向我们靠近时，其光谱会发生蓝移；当恆星远离我们时，光谱会发生红移。除了银河系及其最近的邻近星系中的恆星外，宇宙中所有恆星都在隨著宇宙的膨胀而远离我们，因此它们的光谱都会发生红移。“

  “对於高速飞行的太空飞行器来说，都卜勒效应是一个棘手的问题。因为根据接收器和发射器之间是相互靠近还是远离，传输的信號会发生蓝移或红移。多年来，如何补偿这种效应一直是美国国家航空航天局（nasa）面临的一大难题，需要使用昂贵的设备来应对这一现象。例如，在惠更斯號探测器进入土星卫星土卫六的大气层时，由於它与母船卡西尼號之间存在都卜勒效应问题，我们险些无法获取探测器传回的数据。这一问题还导致惠更斯號探测器从卡西尼號上的部署时间推迟了四年。“

  “然而，在未来，我们只需对超材料进行调节，就能逆转任何都卜勒效应，让接收器能够接收到其设计时所设定的最佳工作频率的信號。这对於太空飞行器本身也大有裨益，它能使太空飞行器上的无线电设备更可靠、重量更轻且能效更高。“