工程超材料可以迷惑光和声音，产生令人费解的行为

我们被波包围着。 微小的振动波将声音传递到我们的耳朵。光波刺激我们眼睛的视网膜。电磁波将无线电、电视和无尽的流媒体内容带到我们的设备上。 值得注意的是，所有这些不同的波都主要受相同的基本物理原理支配。最近，我们利用纳米级工程材料（称为超材料）控制这些波的能力发生了革命性的变化。

希腊语前缀meta的意思是“超越”。 这些工程材料使我们能够超越波和物质相互作用的传统方式，创造出光和声音似乎不遵守传统规则的技术。这种新型材料的标志性例子是“隐形斗篷”——一种可以隐藏物体于眼前的超材料涂层。包括我的团队在内的世界各地的一些研究团队已经设计和生产出超材料涂层，可以重定向照射到它们的光波，有效地防止光线从物体上反射并到达我们的眼睛，甚至防止留下阴影。 尽管这些发明有局限性——它们还不是许多人想象中的哈利·波特式隐形斗篷——但它们与光的相互作用方式仍然像魔法一样。

隐形斗篷只是超材料技术的一个例子。其他超材料允许光单向传播，但不能反向传播——这对于通信和物体探测来说是一种很有价值的工具——并且可以打破几何和时间的对称性。 凭借现代纳米制造工具和对光与物质相互作用的更好理解，我们现在可以构建超表面，以产生我们能想到的任何图案、颜色和光学特征。

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弯曲和扭曲光线

几个世纪以来，科学家们一直在努力控制光和声音与我们的感觉系统相互作用的特性。 这项探索的早期成功是彩色玻璃的发明：古罗马人和埃及人学会了如何将金属盐熔入玻璃中以对其进行着色。分散在玻璃中的微小金属纳米颗粒吸收特定波长并让其他波长通过，从而在今天我们仍然欣赏的杰作中创造出鲜艳的色彩。 在 17 世纪，艾萨克·牛顿和罗伯特·胡克认识到，某些动物的色调和虹彩是由其身体部位表面的纳米级图案产生的——这是纳米结构材料如何产生令人惊讶的光学效果的另一个例子。

人眼非常擅长检测光的两个基本属性：强度（亮度）和波长——即颜色。 光的第三个重要属性是偏振，它描述了光电磁场随时间在空间中轨迹。 尽管人类的眼睛无法区分不同的偏振，但一些动物物种具有偏振敏感性，这使它们能够看得更清楚、更好地确定自己在周围环境中的方向并向其他生物发出信号。

19 世纪后期，在詹姆斯·克拉克·麦克斯韦发现电磁学方程几年后，贾格迪什·钱德拉·玻色构建了我们可以称之为超材料的第一个例子。 通过手工扭曲黄麻纤维并将它们排列成规则的阵列，他证明了线偏振电磁波——其电场和磁场沿直线振荡的光——在传播通过黄麻结构并与之相互作用时会旋转其偏振。 玻色的扭曲黄麻表明，有可能设计出一种人造材料，以前所未有的方式控制光。

超材料的现代时代可以追溯到 2000 年，当时杜克大学的物理学家大卫·R·史密斯、加州大学圣地亚哥分校已故的谢尔顿·舒尔茨及其同事创造了一种前所未有的工程材料——一种具有负折射率的材料。 当一束光从一种介质传播到另一种介质时——例如从空气到玻璃——它的速度会发生变化，导致光束弯曲或“折射”。 两种材料之间折射率的差异决定了弯曲的角度。

折射现象是大多数现代光学设备（包括透镜和显示器）的基础，并解释了为什么玻璃杯中的吸管看起来是断裂的。 对于所有已知的天然材料，折射率都是正的，这意味着光线总是朝向界面的同一侧弯曲，角度与界面的角度大小随折射率的变化而变化。 相反，光线进入具有负折射率的介质会向后弯曲，从而产生意想不到的光学效果，例如吸管看起来会向错误的方向倾斜。 科学家们长期以来一直认为不可能找到或制造出支持负折射的材料，有些人认为这将违反基本的物理原理。 然而，当舒尔茨、史密斯及其同事将微小的铜环和金属线组合在堆叠的电路板基板上时，他们证明了微波束通过这种工程材料会发生负折射。 这一引人注目的进展表明，超材料可以产生比自然界提供的更广泛的折射率，为全新的技术可能性打开了大门。 从那时起，研究人员已经为包括可见光在内的各种频率创造了负折射率材料。

隐身技术

在最初的突破之后，大量的超材料研究集中在隐身方面。 大约 20 年前，当我与宾夕法尼亚大学的纳德·恩赫塔合作时，我们设计了一种超材料外壳，通过使从外壳反射的光波抵消从隐身物体散射的光波，从而使物体无法被探测到。 无论从哪个方向传来，撞击到该结构的光波都会被斗篷重定向，从而抵消物体本身散射的光波。 因此，通过外部照明无法探测到隐身物体：从电磁学的角度来看，它似乎不存在。

大约在同一时间，伦敦帝国学院的约翰·B·彭德里和现在以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所的乌尔夫·莱昂哈特提出了其他使用超材料来隐身物体的有趣方法。 在几年之内，各种实验演示将这些提议变成了现实。 例如，我的团队制造了一种三维隐身斗篷，可以大大减少从圆柱体散射的无线电波量，从而使其难以通过雷达探测。 现有的隐身技术可以通过吸收入射波来隐藏物体免受雷达探测，但超材料隐身斗篷做得更好，因为它们不仅仅抑制反射波——它们还会重新引导入射波以消除散射和阴影，使隐身物体无法探测。 我们和其他团队已将隐身扩展到声波（声音），创造出无法被声纳设备探测到的物体。 其他科学家甚至制造了用于热波和地震波的隐身斗篷。

然而，从这些设备到电影中描绘的隐形斗篷（允许物体的多波长背景透射）还有很长的路要走。 我们的现实生活中的隐身斗篷仅限于小尺寸或窄操作波长。 根本的挑战是与因果律原则的竞争：没有任何信息可以比自由空间中的光速传播得更快。 完全恢复背景电磁场，就好像它们在不减速的情况下穿过物体一样，是不可能的。

基于这些原理，我的团队已经证明，我们无法使用被动超材料涂层完全抑制来自物体的散射，且波长不能超过单个波长（单色光）。 即使我们只诱导部分透明度，我们也会面临一个严峻的权衡，即隐身物体可以有多大以及我们可以为其隐身多少种颜色的光。 在可见波长下隐身大型物体仍然遥不可及，但我们可以将超材料隐身斗篷用于较小的物体和更长的波长，这为雷达、无线通信和高保真传感器带来了令人兴奋的机会，这些传感器在运行时不会干扰周围环境。 用于其他类型波（例如声音）的隐身斗篷限制较少，因为这些波的传播速度慢得多。

空间对称性

对于设计和应用用于各种目的的超材料来说，一个特别强大的工具是对称性的概念。 对称性描述了物体在翻转、旋转或以其他方式变换时不会改变的方面。 它们在所有自然现象中都起着根本性的作用。 根据数学家艾米·诺特在 1915 年提出的定理，物理系统中的任何对称性都会导致守恒定律。 一个例子是时间对称性和能量守恒之间的联系：如果物理系统由不明确依赖于时间的定律描述，则其总能量必须守恒。 同样，遵守空间对称性的系统（例如在平移或旋转下保持不变的周期性晶体）会保留光的某些特性，例如其偏振。 通过以受控方式打破对称性，我们可以设计超材料来克服和局部调整这些守恒定律，从而实现新型的光控制和变换形式。

作为对称性在超材料设计中强大作用的一个例子，我的团队设计了一种光学超材料，它可以有效地旋转通过它的光的偏振——在某些方面，它是玻色扭曲黄麻装置的纳米级版本。 该材料由多层薄玻璃制成，每层玻璃都嵌入了数十纳米长的金棒排。 首先，我们创建一个纳米棒层，所有纳米棒都沿玻璃上的特定方向排列。 然后我们堆叠第二层，它看起来与第一层相同，只是我们以特定角度旋转了所有棒。 下一层装饰有以相同角度进一步旋转的纳米棒，依此类推。 总的来说，堆叠层只有大约一微米厚，但与天然周期性晶体相比，它具有特定程度的破缺空间对称性，在天然周期性晶体中，分子都排列成直线。 当光线穿过这种薄的超材料时，它与金纳米棒相互作用，并因其表面的电子振荡而减速。 新出现的光与物质的相互作用受晶格扭曲对称性的控制，从而可以在很宽的波长范围内实现入射光偏振的大幅度旋转。 这种形式的偏振控制可以使许多技术受益，例如液晶显示器和制药行业中使用的传感工具，这些技术依赖于偏振旋转，而偏振旋转通常在天然材料中效率较低。

潜在的旋转对称性在控制其他超材料响应方面也起着至关重要的作用。 麻省理工学院的帕勃罗·哈里罗-埃雷罗小组最近表明，两层紧密间隔的石墨烯——每层只有一个原子层——相对于彼此以精确的角度小心旋转，会导致超导性的惊人出现。 这种两层单独不具备的特性，允许电子以零电阻沿材料流动，这一切都是因为扭曲引起的对称性破缺。 对于特定的旋转角度，两层中相邻原子之间出现相互作用，从而定义了一种全新的电子响应。

受此演示的启发，在 2020 年，我的团队表明，对于电子而言，可以发生某种类似的现象，但对于光而言则不然。 我们使用堆叠的两层薄三氧化钼 (MoO₃)，并将其中一层相对于另一层旋转。 单独来看，每一层都是周期性晶格，其中底层分子以重复的模式排列。 当光进入这种材料时，它可以激发分子，导致它们振动。 当偏振方向与分子对齐时，某些波长的光会引发强烈的晶格振动——这种现象称为声子共振。 然而，具有相同波长和垂直偏振的光产生的光学响应要弱得多，因为它不会驱动这些振动。 我们可以利用光学响应中的这种强不对称性，通过将一层相对于第二层旋转。 扭曲角度再次以戏剧性的方式控制和修改双层的光学响应，使其与单层的光学响应非常不同。

例如，放置在玻璃或银等传统材料表面上的分子发出的光以圆形波纹向外流动，就像石头击中池塘表面时一样。 但是，当我们的两个 MoO3 层堆叠在一起时，改变扭曲角度会大大改变光学响应。 对于晶格之间的特定扭曲角度，光被迫仅沿一个特定方向传播，而不会以圆形波纹扩展——类似于光子的超导性。 这种现象开启了创建超越传统光学系统分辨率限制的纳米级图像的可能性，因为它可以在不失真的情况下传输图像的亚波长细节，从而有效地引导光超越衍射的限制。 这些材料中的光与材料振动紧密相连，以至于两者形成了一个准粒子——极化子——其中光和物质强烈地交织在一起，为量子技术提供了一个令人兴奋的平台。

时间对称性

对称性在超材料中的作用并不局限于空间对称性，例如几何旋转所破坏的那种。 当我们尝试打破时间反演对称性时，事情会变得更加有趣。

控制波动现象的方程通常在时间上是可逆的：如果波可以从 A 点传播到 B 点，它也可以以相同的特征从 B 点传播回 A 点。 时间反演对称性解释了常见的期望，即如果我们能听到或看到某人，他们也能听到或看到我们。 打破波传输中的这种对称性（称为互易性）对于许多应用来说可能很重要。 例如，无线电波的非互易传输可以实现更高效的无线通信，在无线通信中，信号可以同时发送和接收而不会受到干扰，并且可以防止您发送的信号的反射造成污染。 光的非互易性可以保护灵敏的激光束源免受不必要的反射，并在雷达和激光雷达技术中提供相同的好处。

打破这种基本对称性的既定方法是利用磁现象。 当铁氧体（一种具有磁性的非金属材料）受到恒定磁场的作用时，其分子会维持微小的循环电流，这些电流以由磁场方向决定的手性旋转。 反过来，这些微观电流会引起一种称为塞曼分裂的现象：右手圆偏振光波（电场顺时针旋转）与这些分子的相互作用能量与左手（逆时针）波的能量不同。 能量差异与施加的磁场成正比。 当线偏振波穿过磁化铁氧体时，总体效果是旋转偏振，在某些方面类似于前面讨论的超材料。 根本的区别在于，这里的偏振旋转的手性是由外部磁偏置决定的，而不是由超材料成分中的对称性破缺决定的。 因此，在这些磁化材料中，当光在一个方向上传播时，其偏振旋转与在相反方向上移动时的手性相同——这一特征违反了互易性。 时间反演对称性现在被打破了。

我们可以利用这种现象来设计只允许波在一个方向上传播的器件。 然而，很少有天然材料具有实现这种效果所需的磁性，而那些具有磁性的材料可能难以集成到基于硅的现代器件和技术中。 近年来，超材料界一直在努力创造更有效的方法来打破波互易性，而无需磁性材料。

我的团队已经表明，我们可以用超材料中机械旋转的元件代替磁化铁氧体中的微小循环电流。 我们在一个紧凑的声学设备中实现了这种效果，方法是使用小型计算机风扇在圆形铝腔内旋转空气，从而创建了首个用于声音的非互易设备。 当我们打开风扇时，腔体共振的频率对于反向旋转的声波是不同的，类似于塞曼分裂如何改变铁氧体中光相互作用的能量。 因此，旋转腔体中的声波根据其在其中顺时针还是逆时针传播而经历非常不同的相互作用。

然后，我们可以通过该设备以非互易方式（仅单向）路由声波。 值得注意的是，产生这种效果所需的气流速度比声波速度慢数百倍，这使得这项技术非常容易开发。 这种紧凑的非互易器件随后可以构成超材料的基础，超材料由晶格中连接的这些元件制成。 这些工程晶格以高度不寻常的非互易方式传输声音，让人想起电子在拓扑绝缘体中以独特特征传播的方式。

我们能否对光使用类似的技巧？ 2018 年，塔尔卡蒙小组在特拉维夫大学通过以千赫兹频率旋转耦合到光纤的硬盘驱动器的读写头，展示了类似的效果，证明了光通过它的非互易传输。 研究人员的装置表明，机械旋转元件可用于迫使光仅沿一个方向穿过器件。 可以说更实用的方法是使用由随时间变化的成分制成的超材料，这些成分以空间中的特定模式打开和关闭，从而模拟旋转。 基于这些原理，我的团队创造了几种技术，这些技术可以有效地作为非互易器件运行。 它们的小尺寸使我们能够轻松地将它们集成到更大的电子系统中。

我们还将这些技术扩展到热辐射，即由热驱动的光辐射。 所有热物体都会发光，并且称为基尔霍夫热辐射定律的普遍原理指出，处于平衡状态的互易材料必须以相同的速率吸收和发射热辐射。 这种对称性为热能管理和能量收集设备（如太阳能电池）的设备设计带来了若干限制。 通过采用与前面描述的原理相似的设计原理来打破光的互易性，我们正在设想不遵守吸收和发射之间对称性的系统。 我们可以构建超材料以有效地吸收热量，而无需像普通材料那样将一部分吸收的能量重新发射到源头，从而提高我们可以收集的能量量。 应用于静态力学，类似的原理也使我们能够创建一个 3D 打印物体，该物体不对称地传递施加的静态机械力——一种单向手套，可以施加压力而不会感觉到反作用力。

更多奇迹

超材料和破缺对称性在操纵和控制波方面提供的机会远不止于此。 科学家们一直在发现迷惑光和声音的新方法——例如，通过以新颖的方式结合破缺的几何对称性和时间对称性。 超材料可以用于智能建筑的墙壁和窗户，以随意控制和路由电磁波。 纳米结构超表面可以将笨重的光学装置缩小到比人类头发还细的器件中，从而增强成像、传感和能量收集技术。 声学和机械超材料可以以前所未有的控制程度路由和控制声音。 鉴于现代纳米制造技术、我们对光与物质相互作用的改进理解以及复杂的材料科学和工程为我们提供的巨大机遇，我们期待着更多的奇迹。