隱身的夢想——專訪蘇州大學賴耘教授

本刊記者 李 沖

隱身的夢想
——專訪蘇州大學賴耘教授

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，到隱身外星鐵血戰士，無一不體現了人類天馬行空的想象力。

其實在現實世界里，多少年來，科學家們一直致力于研究隱身術所需用的材料，并且不同程度地取得了一些階段性成果。

蘇州大學賴耘教授的研究方向涉及和波相關的多個前沿課題，包括隱身及幻像，超構材料，變換光學，光子晶體，聲子晶體，表面等離子體光子學等。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》，《自然》，《自然-材料學》，《探索頻道》，《華爾街日報》等頂級學術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“調味劑”經常出鏡于小說和電影當中，體現了人類天馬行空的想象力。不過，想象終歸想象，多數人可能從未想過也許有朝一日可以利用科學的力量把隱身這個無數人的夢想在現實里實現。

2006年，J. Pendry課題組和U.Leonhardt分別獨立在同一期《科學》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變換下的形式不變性或者亥姆赫茲方程的保角變換來實現隱身斗篷的設想。同年，D.R. Smith課題組在微波段利用超構材料實驗證實了隱身斗篷的效果。這幾項工作立刻吸引了全球科學家的密切關注與強烈興趣。之后幾年，國際上掀起了一陣對隱身研究的熱潮，不論理論還是實驗都取得了重大的進展。

關于軍事隱形（Stealth）與隱身(Invisibility)的區別，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或聲納發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，即散射系數為零，或等同于背景介質。因此，實現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雜電磁參數分布的斗篷彎曲光線傳播路徑來實現隱身。當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陳子亭教授處做博后的時候，發現通過變換光學可以設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“遠程隱身”(“Cloaking at a distance”)。

賴耘教授說：“遠程隱身的原理和隱身斗篷完全不同。它是通過設計特殊的隱身器件，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，也就是實現了全方位的隱身。其效果等同于隱身斗篷，但避免了斗篷致盲的缺陷。”

這項工作一經發表立刻廣獲《科學》、《自然》、《物理世界》、《華爾街日報》等媒體報道。其中《科學》雜志報道的標題是“隱身雨傘可以讓未來的哈利波特看見光”，隱喻了遠程隱身的兩大優點，即不需要包住物體和可以讓物體看見外界光。而《自然》雜志報道的標題是“超越隱身斗篷”。有趣的是，利用遠程隱身的方法還可以實現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，隱身其實只是一種特殊的幻像，即自由空間的幻像。既然可以實現自由空間的幻像，那么，有沒有可能實現任意的幻像呢，比如，將蘋果變成一只香蕉？答案是肯定的。2009年，他們在遠程隱身的基礎上，首次嚴格證明了可以利用一個幻像器件改變一個物體的光學性質，使之變成一個任意物體的幻像，這被稱為“幻像光學”（“Illusion optics”）。幻像光學將隱身領域推廣到了一個更加豐富多彩的領域。它引起了學界廣泛的關注和好評，獲得《自然-材料學》，《自然中國》，《物理世界》，《探索頻道》等媒體報道。其中，隱身領域創始人，著名學者J. Pendry爵士為之在《自然》雜志上特意寫了一篇亮點評論。他認為這個發現是從科學上否定了“眼見為實”的人類幾千年的經驗常識，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要求。至今為止，只有中科院電子所李超教授在微波實驗上實現了幾個幻像光學的特例。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在某些波段和情況下實現。相信遠程隱身和幻像光學未來也會有越來越多的實驗研究乃至于應用。值得欣慰的是，在這個領域，中國可以說是走在了世界前列。港科大，南大，東大，武大，復旦，同濟，浙大，中大，中科院等等，紛紛做出了重量級的研究成果。”賴耘教授如是說道。

最熱門的前沿研究——超構材料

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

賴耘教授在超構材料領域做出了幾項有趣而重要的成果和貢獻。

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

有趣的是，這個偶然簡并同時會導致在簡并頻率處有一個狄拉克點的存在。

為了證明這個理論，他們用光子晶體做出的零參數材料做了幾個有趣應用的數值模擬和微波段的實驗驗證，包括聚焦，波導內隧穿和隱身等，從理論和實驗上都證明了光子晶體作為雙零超構材料的效果。因為光子晶體是由電介質組成，在光頻段具有低損耗的良好特性，因此這項成果預示了在光頻段實現零參數超構材料的可能性，具有重要意義，發表在2011年的《自然-材料學》上。

賴耘教授還在聲學超構材料領域發現了一些具有奇異性質的固體聲學超構材料。超構材料的原理不僅適用于電磁波，也適用于聲波，彈性波等經典波。利用聲學超構材料同樣可以實現自然界材料所不具備的一些聲學性質，比如說具有負數質量和負數彈性模量等。但是至今聲學超構材料的研究仍然大大滯后于光學超構材料。

2011年，賴耘教授，香港科技大學張昭慶教授及其團隊通過設計多質點共振單元以及固液混合共振單元，發現固體聲學超構材料可以具備某些非常奇特的性質。比如說，翻開任何一本聲學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”這個經典的物理知識。然而，通過精心設計固體聲學超構材料，可以實現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。這些固體聲學超構材料的發現不僅打破了教科書知識，拓寬了聲學材料的種類，未來還可能實現聲學偏振片，完美縱橫模轉換等等實用的功能。這幾項工作分別發表在今年的《自然-材料學》和《物理評論快報》上。并獲加拿大著名聲學專家J. Page教授在《自然-材料學》上以“既非固體亦非液體”為題做了專題亮點評論。

“展望未來，相信超構材料仍然會是一個蓬勃發展的領域。隨著未來納米制作水平的不斷提高，這些具有奇異性質的超構材料可能會一個個從猜想、理論走到實驗和現實中來。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。”賴耘教授對未來充滿信心的說道。

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