本刊記者 李 沖

隱身的夢想
——專訪蘇州大學(xué)賴耘教授

本刊記者 李 沖

在挪威神話中，具有超人力量的半神半人的、訓(xùn)練有素的武士sigurd擁有一件魔力無邊的斗篷。穿著它就可以起到隱身的作用，別人只聞其聲而不見其人，他可以來無影去無蹤。從哈利波特的隱身斗篷，到隱身外星鐵血戰(zhàn)士，無一不體現(xiàn)了人類天馬行空的想象力。

其實(shí)在現(xiàn)實(shí)世界里，多少年來，科學(xué)家們一直致力于研究隱身術(shù)所需用的材料，并且不同程度地取得了一些階段性成果。

蘇州大學(xué)賴耘教授的研究方向涉及和波相關(guān)的多個前沿課題，包括隱身及幻像，超構(gòu)材料，變換光學(xué)，光子晶體，聲子晶體，表面等離子體光子學(xué)等。雖然這些研究方向看似很不相同，但大體上都屬于波動材料的研究范疇。賴耘教授也多次獲得《科學(xué)》，《自然》，《自然-材料學(xué)》，《探索頻道》，《華爾街日報》等頂級學(xué)術(shù)期刊和國際著名媒體廣泛報道。

“隱身雨傘可以讓未來的哈利波特看見光”

近年來，隱身這瓶“調(diào)味劑”經(jīng)常出鏡于小說和電影當(dāng)中，體現(xiàn)了人類天馬行空的想象力。不過，想象終歸想象，多數(shù)人可能從未想過也許有朝一日可以利用科學(xué)的力量把隱身這個無數(shù)人的夢想在現(xiàn)實(shí)里實(shí)現(xiàn)。

2006年，J. Pendry課題組和U.Leonhardt分別獨(dú)立在同一期《科學(xué)》雜志上刊登了兩篇論文，提出了利用麥克斯韋方程組在坐標(biāo)變換下的形式不變性或者亥姆赫茲方程的保角變換來實(shí)現(xiàn)隱身斗篷的設(shè)想。同年，D.R. Smith課題組在微波段利用超構(gòu)材料實(shí)驗證實(shí)了隱身斗篷的效果。這幾項工作立刻吸引了全球科學(xué)家的密切關(guān)注與強(qiáng)烈興趣。之后幾年，國際上掀起了一陣對隱身研究的熱潮，不論理論還是實(shí)驗都取得了重大的進(jìn)展。

關(guān)于軍事隱形（Stealth）與隱身(Invisibility)的區(qū)別，賴耘教授告訴記者：“軍事隱形一直是重要的科技前沿課題。然而，軍事隱形的主要目的是讓敵方雷達(dá)或聲納發(fā)出的入射波不在其反方向上反射，從而讓物體無法被敵方雷達(dá)或聲納探測到。而隱身需要讓物體在任何方向上都沒有散射波，即散射系數(shù)為零，或等同于背景介質(zhì)。因此，實(shí)現(xiàn)隱身的難度比軍事隱形更艱巨。”

之前Pendry和Leonhardt提出的方案雖不盡相同，但都是利用一個具有復(fù)雜電磁參數(shù)分布的斗篷彎曲光線傳播路徑來實(shí)現(xiàn)隱身。當(dāng)入射光射到斗篷表面的時候，會繞過斗篷包裹的隱蔽空間，從而讓藏在其中的物體隱身。然而，因為光線不會進(jìn)入隱蔽空間，藏在其中的物體（人）也無法感受到外界的光信息。因此，隱身斗篷可說是有利有弊。

2008年，賴耘教授在香港科技大學(xué)陳子亭教授處做博后的時候，發(fā)現(xiàn)通過變換光學(xué)可以設(shè)計出一種讓物體被隱身的同時也能看到外界的方法。這種方法不需要用一個斗篷器件包住要隱身的物體，而只需要放置一個隱身器件在物體附近即可。因此，這種方法被稱為“遠(yuǎn)程隱身”(“Cloaking at a distance”)。

賴耘教授說：“遠(yuǎn)程隱身的原理和隱身斗篷完全不同。它是通過設(shè)計特殊的隱身器件，讓其散射波和物體的散射波在所有方向上都干涉相消，從而讓所有方向上都沒有散射波，也就是實(shí)現(xiàn)了全方位的隱身。其效果等同于隱身斗篷，但避免了斗篷致盲的缺陷?！?/p>

這項工作一經(jīng)發(fā)表立刻廣獲《科學(xué)》、《自然》、《物理世界》、《華爾街日報》等媒體報道。其中《科學(xué)》雜志報道的標(biāo)題是“隱身雨傘可以讓未來的哈利波特看見光”，隱喻了遠(yuǎn)程隱身的兩大優(yōu)點(diǎn)，即不需要包住物體和可以讓物體看見外界光。而《自然》雜志報道的標(biāo)題是“超越隱身斗篷”。有趣的是，利用遠(yuǎn)程隱身的方法還可以實(shí)現(xiàn)只隱身物體的一部分，在墻上開一個虛擬的洞（透視）等等奇妙的功能。

遠(yuǎn)程隱身的工作也給了賴耘教授很多啟示。不久之后，他意識到，隱身其實(shí)只是一種特殊的幻像，即自由空間的幻像。既然可以實(shí)現(xiàn)自由空間的幻像，那么，有沒有可能實(shí)現(xiàn)任意的幻像呢，比如，將蘋果變成一只香蕉？答案是肯定的。2009年，他們在遠(yuǎn)程隱身的基礎(chǔ)上，首次嚴(yán)格證明了可以利用一個幻像器件改變一個物體的光學(xué)性質(zhì)，使之變成一個任意物體的幻像，這被稱為“幻像光學(xué)”（“Illusion optics”）?；孟窆鈱W(xué)將隱身領(lǐng)域推廣到了一個更加豐富多彩的領(lǐng)域。它引起了學(xué)界廣泛的關(guān)注和好評，獲得《自然-材料學(xué)》，《自然中國》，《物理世界》，《探索頻道》等媒體報道。其中，隱身領(lǐng)域創(chuàng)始人，著名學(xué)者J. Pendry爵士為之在《自然》雜志上特意寫了一篇亮點(diǎn)評論。他認(rèn)為這個發(fā)現(xiàn)是從科學(xué)上否定了“眼見為實(shí)”的人類幾千年的經(jīng)驗常識，因而具有重要的意義。

“必須說明的是，以上的成果幾乎都是理論證明和數(shù)值仿真。這是因為隱身或幻像器件具有比較苛刻的電磁材料參數(shù)要求。至今為止，只有中科院電子所李超教授在微波實(shí)驗上實(shí)現(xiàn)了幾個幻像光學(xué)的特例。然而近年來，隨著科技手段不斷提高，同樣條件苛刻的隱身斗篷已經(jīng)在某些波段和情況下實(shí)現(xiàn)。相信遠(yuǎn)程隱身和幻像光學(xué)未來也會有越來越多的實(shí)驗研究乃至于應(yīng)用。值得欣慰的是，在這個領(lǐng)域，中國可以說是走在了世界前列。港科大，南大，東大，武大，復(fù)旦，同濟(jì)，浙大，中大，中科院等等，紛紛做出了重量級的研究成果?！辟囋沤淌谌缡钦f道。

最熱門的前沿研究——超構(gòu)材料

隱身或者幻像為什么這么難實(shí)現(xiàn)，這是因為它們需要具有非常特殊的電磁參數(shù)，即介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ的材料。這些參數(shù)如此特殊，以至于自然界里是找不到的。但是科學(xué)家們并沒有絕望，而是發(fā)明了一種稱之為“超構(gòu)材料”（“Metamaterial”）的人工材料來實(shí)現(xiàn)這些自然界中不存在的參數(shù)。理論上講，超構(gòu)材料可以在單頻上實(shí)現(xiàn)任意的電磁參數(shù)。目前，超構(gòu)材料的研究是國際上最熱門的前沿研究領(lǐng)域之一。

賴耘教授在超構(gòu)材料領(lǐng)域做出了幾項有趣而重要的成果和貢獻(xiàn)。

他首次利用光子晶體實(shí)現(xiàn)了雙零電磁超構(gòu)材料，也就是ε=0和μ=0的材料。之前學(xué)界對超構(gòu)材料的研究主要是集中在雙負(fù)材料，2011年,賴耘教授，香港科技大學(xué)陳子亭教授及其團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)利用光子晶體中的偶然簡并就可以簡單地實(shí)現(xiàn)雙零超構(gòu)材料(ε=0且μ=0)。

有趣的是，這個偶然簡并同時會導(dǎo)致在簡并頻率處有一個狄拉克點(diǎn)的存在。

為了證明這個理論，他們用光子晶體做出的零參數(shù)材料做了幾個有趣應(yīng)用的數(shù)值模擬和微波段的實(shí)驗驗證，包括聚焦，波導(dǎo)內(nèi)隧穿和隱身等，從理論和實(shí)驗上都證明了光子晶體作為雙零超構(gòu)材料的效果。因為光子晶體是由電介質(zhì)組成，在光頻段具有低損耗的良好特性，因此這項成果預(yù)示了在光頻段實(shí)現(xiàn)零參數(shù)超構(gòu)材料的可能性，具有重要意義，發(fā)表在2011年的《自然-材料學(xué)》上。

賴耘教授還在聲學(xué)超構(gòu)材料領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)了一些具有奇異性質(zhì)的固體聲學(xué)超構(gòu)材料。超構(gòu)材料的原理不僅適用于電磁波，也適用于聲波，彈性波等經(jīng)典波。利用聲學(xué)超構(gòu)材料同樣可以實(shí)現(xiàn)自然界材料所不具備的一些聲學(xué)性質(zhì)，比如說具有負(fù)數(shù)質(zhì)量和負(fù)數(shù)彈性模量等。但是至今聲學(xué)超構(gòu)材料的研究仍然大大滯后于光學(xué)超構(gòu)材料。

2011年，賴耘教授，香港科技大學(xué)張昭慶教授及其團(tuán)隊通過設(shè)計多質(zhì)點(diǎn)共振單元以及固液混合共振單元，發(fā)現(xiàn)固體聲學(xué)超構(gòu)材料可以具備某些非常奇特的性質(zhì)。比如說，翻開任何一本聲學(xué)或者彈性波教科書的話，都可以找到“固體里不僅可以傳播縱波，也可以傳播橫波”這個經(jīng)典的物理知識。然而，通過精心設(shè)計固體聲學(xué)超構(gòu)材料，可以實(shí)現(xiàn)固體里只能傳播縱波，不能傳播橫波；或者剛好相反，能傳播橫波而不傳播縱波；或者具有超各向異性，即在某些方向上只能傳播縱波，在另一些方向上只能傳播橫波。這些固體聲學(xué)超構(gòu)材料的發(fā)現(xiàn)不僅打破了教科書知識，拓寬了聲學(xué)材料的種類，未來還可能實(shí)現(xiàn)聲學(xué)偏振片，完美縱橫模轉(zhuǎn)換等等實(shí)用的功能。這幾項工作分別發(fā)表在今年的《自然-材料學(xué)》和《物理評論快報》上。并獲加拿大著名聲學(xué)專家J. Page教授在《自然-材料學(xué)》上以“既非固體亦非液體”為題做了專題亮點(diǎn)評論。

“展望未來，相信超構(gòu)材料仍然會是一個蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域。隨著未來納米制作水平的不斷提高，這些具有奇異性質(zhì)的超構(gòu)材料可能會一個個從猜想、理論走到實(shí)驗和現(xiàn)實(shí)中來。它們對人類科技力量的提升將具有非常重要的意義和價值?！辟囋沤淌趯ξ磥沓錆M信心的說道。

對于此次能夠成功入選青年千人計劃和新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃，賴耘教授覺得他是非常幸運(yùn)的，也非常感謝國家對他的重視。去年回國以來，蘇州大學(xué)也給予了較好的研究條件和環(huán)境，并和多位海歸教授組成了研究團(tuán)隊。今后會努力在波動材料研究領(lǐng)域里做出更多創(chuàng)新性的成果，不辜負(fù)國家的期望！