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2022年1月12整理发布:隐形斗篷可能很快就不再是科幻电影里的东西了

发布时间:2022-01-12 16:33:59来源:中国科技网

导读 2022年1月12整理发布:隐形斗篷可能很快就不再是科幻电影里的东西了。近日,厦门大学物理科学与技术学院陈焕阳课题组联合Qiaoliang Bao教...

2022年1月12整理发布:隐形斗篷可能很快就不再是科幻电影里的东西了。

近日,厦门大学物理科学与技术学院陈焕阳课题组联合Qiaoliang Bao教授在研究中发现,利用一种常见的二维天然材料三氧化钼(α-MoO₃)可取代昂贵且难以生产的超材料制造隐身器件。

这意味着,未来制造隐形设备的门槛会大幅降低,许多科幻电影小说中描述的情形有望在现实中出现。该研究成果发表在国际期刊《纳米光子学》杂志上。

随着科学技术的发展,“隐身术”不再只是人类的幻想。隐形飞机、隐形装甲机、隐形军舰等在领域的应用已较为普遍。不过因为要实现器件的完美隐形需要通过人类设计出自然界原本没有的超材料才能实现,“隐身术”的应用距离普罗大众生活仍有一段距离。

而此次研究中,天然材料三氧化钼(α-MoO₃)被发现具备超材料的特性,无需复杂加工即可成为理想的隐形材料。

“低可探测技术”与超材料

通常人们所说的“隐身术”在科技领域实际上是一种“低可探测技术”,即利用各种不同的技术手段来改变目标物可探测性信息特征。例如,采用独特设计的吸波、透波材料降低目标物对电磁波、光波的反射,或采取隔热、散热措施减弱目标物的红外辐射,亦或通过折射光线使人眼无法察觉目标物,使其降低被发现的可能。

隐形技术涉及电磁场原理、声学、光学、红外工程学等多种学科,属于典型的跨学科应用科学技术。而其中隐形材料是隐身技术发展的关键。

近年来,超材料因其能突破传统的光学定律,在理论上实现最佳的隐身效果而倍受科学界广泛关注。同时,基于超材料支撑的变换光学自2006年提出后,成为一门新兴学科,也成为物理学界的热门话题。

所谓超材料是指一类特殊性质的人造材料,经过人为对其微结构的改造,能够操纵电磁波,改变波的传播路线,使波发生弯曲,以达到绕射传播的目的,实现传统材料无法实现的隐身效果。超材料的出现和发展,使许多具有不同功能的器件被设计和实现,例如隐身斗篷、光学错觉装置、旋转器等。

特别是自2006年Leonhardt和Pendry等人关于隐形的论文发表后,隐身衣已成为电磁学、物理学、光学、材料科学及交叉学科最前沿和最热门的研究领域之一。不过,为了实现上述隐形效果,通常需要简化电磁参数以避免无限大或负数的情况,且还需要用复杂结构等效出梯度折射率材料,这些过程需要昂贵的光刻技术和繁琐的制造方法,并且最终的实际效果也会因存在较大散射和偏差而大打折扣。

天然双曲材料有望替代超材料

针对这些问题,厦门大学物理科学与技术学院陈焕阳教授团队在变换光学基础上,大胆设想,通过寻找设计一种二维天然材料的折射率分布实现超材料操纵光行为的效果。近日,他的一项最新模拟计算表明,这种天然材料被找到了:使用三氧化钼(α-MoO₃)制造隐形装置,可以达到超材料实现的隐身效果。

α-MoO3隐身聚光器模型

研究人员使用了一种当前热门的自然双曲材料α-MoO₃,发现当把α-MoO₃薄片卷在圆柱形光纤上时,在中红外电磁照明下的物体从视觉上消失了。

研究人员解释,达到结构的法布里-珀罗共振的光能够以极小的散射通过α-MoO₃隐身聚光器传播并且能量在中心处得到加强,达到隐藏电磁照明下的物体的目的,即隐身。

陈焕阳解释:“三氧化钼把光沿着一定方向挤压进内核,相当于把光抓进了物体内,如果折射率和阻抗匹配,就感觉内核不存在,产生了隐身的效果。”

此外,利用α-MoO₃代替超材料制造的新兴隐形器件在特定光源位置还表现出错觉效应,使得我们无法通过外场判断光源的真实位置。

该研究结果表明,双曲材料,如α-MoO₃和V₂O₅,作为变换光学的新的材料基础,可以产生更多超越隐形聚光器的新纳米光子概念,如多频超散射、变换等离激元学等。

“这是二维材料首次被用于变换换光学器件的设计,通常我们需要超材料,但这次要简单得多。”陈焕阳介绍,人们通常认为,实现完美的隐身效果很大程度上要依赖人造材料,这次实验的成果为天然二维材料替代超材料制造隐形器件提供了新的可能,而且相比超材料,这种材料更具有价格和制作上的优势。

除此之外,传统的超材料具有跨尺度制备难题。比如超材料人工原子为纳米结构,需要跨尺度制备如毫米尺寸器件,其计算、设计和制备都非常困难。而真正投入应用的隐形器件例如隐身斗篷,则需要更大尺寸,制备难度可想而知。而利用二维层状材料,特别是具备光学各向异性的二维层状材料,作为类似人工超材料的基本构筑单元,可以突破这个跨尺度制备难题。

另外,最近他们的另一个课题表明,通过引入石墨烯还可以做到动态电调控,实现多物理场的变换光学器件。调控石墨烯的电压,石墨烯和α-MoO₃异质结的各向异性也可以灵活调控。

新材料及其新特性的发现有望带来新应用

当前,隐形材料应用市场主要集中在领域,而在民用领域尚未实现商业化应用。这主要因为,不同领域隐形材料主要针对侦查仪器隐形,而隐形材料在民用领域的研究方向主要针对肉眼隐形,研制针对视觉隐形的材料技术难点相对较高。

研究人员表示,实验表明二维天然双曲材料具有的奇特性能够弥补超材料的各种局限,使隐形器件的制造过程更简便、更便宜,有望将隐形技术推向民用市场。

这项研究在初步实验中取得令人满意的结果,不过仍然处于验证阶段。“各向异性和渐变是超材料的特性,也是变换光学所需要的,如果二维材料也能类似调控,将是一个非常有前景的领域。”陈焕阳介绍,另一项研究中,Qiaoliang Bao和Cheng-Wei Qiu教授课题组合作构筑的叠层结构,已经可以通过控制两片三氧化钼晶体的叠层转角,从光学上实现从椭圆色散到双曲色散的各向异性连续调控。虽然目前渐变调控还稍微困难,相信不久的将来能够攻破。

研究人员表示,如果这些科学问题都能解决,也许可以催生一个变换等离激元学的新研究方向,对将来片上光子学芯片的集成和灵活操控,大有裨益。这些课题目前都是偏应用基础性的研究,在产业和商业化应用上还有相当长的一段路要走,但毋庸置疑,新材料及其新特性的发现一定会带来一些新的应用。

隐形斗篷可能很快就不再是科幻电影里的东西了。

近日,厦门大学物理科学与技术学院陈焕阳课题组联合Qiaoliang Bao教授在研究中发现,利用一种常见的二维天然材料三氧化钼(α-MoO₃)可取代昂贵且难以生产的超材料制造隐身器件。

这意味着,未来制造隐形设备的门槛会大幅降低,许多科幻电影小说中描述的情形有望在现实中出现。该研究成果发表在国际期刊《纳米光子学》杂志上。

随着科学技术的发展,“隐身术”不再只是人类的幻想。隐形飞机、隐形装甲机、隐形军舰等在领域的应用已较为普遍。不过因为要实现器件的完美隐形需要通过人类设计出自然界原本没有的超材料才能实现,“隐身术”的应用距离普罗大众生活仍有一段距离。

而此次研究中,天然材料三氧化钼(α-MoO₃)被发现具备超材料的特性,无需复杂加工即可成为理想的隐形材料。

“低可探测技术”与超材料

通常人们所说的“隐身术”在科技领域实际上是一种“低可探测技术”,即利用各种不同的技术手段来改变目标物可探测性信息特征。例如,采用独特设计的吸波、透波材料降低目标物对电磁波、光波的反射,或采取隔热、散热措施减弱目标物的红外辐射,亦或通过折射光线使人眼无法察觉目标物,使其降低被发现的可能。

隐形技术涉及电磁场原理、声学、光学、红外工程学等多种学科,属于典型的跨学科应用科学技术。而其中隐形材料是隐身技术发展的关键。

近年来,超材料因其能突破传统的光学定律,在理论上实现最佳的隐身效果而倍受科学界广泛关注。同时,基于超材料支撑的变换光学自2006年提出后,成为一门新兴学科,也成为物理学界的热门话题。

所谓超材料是指一类特殊性质的人造材料,经过人为对其微结构的改造,能够操纵电磁波,改变波的传播路线,使波发生弯曲,以达到绕射传播的目的,实现传统材料无法实现的隐身效果。超材料的出现和发展,使许多具有不同功能的器件被设计和实现,例如隐身斗篷、光学错觉装置、旋转器等。

特别是自2006年Leonhardt和Pendry等人关于隐形的论文发表后,隐身衣已成为电磁学、物理学、光学、材料科学及交叉学科最前沿和最热门的研究领域之一。不过,为了实现上述隐形效果,通常需要简化电磁参数以避免无限大或负数的情况,且还需要用复杂结构等效出梯度折射率材料,这些过程需要昂贵的光刻技术和繁琐的制造方法,并且最终的实际效果也会因存在较大散射和偏差而大打折扣。

天然双曲材料有望替代超材料

针对这些问题,厦门大学物理科学与技术学院陈焕阳教授团队在变换光学基础上,大胆设想,通过寻找设计一种二维天然材料的折射率分布实现超材料操纵光行为的效果。近日,他的一项最新模拟计算表明,这种天然材料被找到了:使用三氧化钼(α-MoO₃)制造隐形装置,可以达到超材料实现的隐身效果。

α-MoO3隐身聚光器模型

研究人员使用了一种当前热门的自然双曲材料α-MoO₃,发现当把α-MoO₃薄片卷在圆柱形光纤上时,在中红外电磁照明下的物体从视觉上消失了。

研究人员解释,达到结构的法布里-珀罗共振的光能够以极小的散射通过α-MoO₃隐身聚光器传播并且能量在中心处得到加强,达到隐藏电磁照明下的物体的目的,即隐身。

陈焕阳解释:“三氧化钼把光沿着一定方向挤压进内核,相当于把光抓进了物体内,如果折射率和阻抗匹配,就感觉内核不存在,产生了隐身的效果。”

此外,利用α-MoO₃代替超材料制造的新兴隐形器件在特定光源位置还表现出错觉效应,使得我们无法通过外场判断光源的真实位置。

该研究结果表明,双曲材料,如α-MoO₃和V₂O₅,作为变换光学的新的材料基础,可以产生更多超越隐形聚光器的新纳米光子概念,如多频超散射、变换等离激元学等。

“这是二维材料首次被用于变换换光学器件的设计,通常我们需要超材料,但这次要简单得多。”陈焕阳介绍,人们通常认为,实现完美的隐身效果很大程度上要依赖人造材料,这次实验的成果为天然二维材料替代超材料制造隐形器件提供了新的可能,而且相比超材料,这种材料更具有价格和制作上的优势。

除此之外,传统的超材料具有跨尺度制备难题。比如超材料人工原子为纳米结构,需要跨尺度制备如毫米尺寸器件,其计算、设计和制备都非常困难。而真正投入应用的隐形器件例如隐身斗篷,则需要更大尺寸,制备难度可想而知。而利用二维层状材料,特别是具备光学各向异性的二维层状材料,作为类似人工超材料的基本构筑单元,可以突破这个跨尺度制备难题。

另外,最近他们的另一个课题表明,通过引入石墨烯还可以做到动态电调控,实现多物理场的变换光学器件。调控石墨烯的电压,石墨烯和α-MoO₃异质结的各向异性也可以灵活调控。

新材料及其新特性的发现有望带来新应用

当前,隐形材料应用市场主要集中在领域,而在民用领域尚未实现商业化应用。这主要因为,不同领域隐形材料主要针对侦查仪器隐形,而隐形材料在民用领域的研究方向主要针对肉眼隐形,研制针对视觉隐形的材料技术难点相对较高。

研究人员表示,实验表明二维天然双曲材料具有的奇特性能够弥补超材料的各种局限,使隐形器件的制造过程更简便、更便宜,有望将隐形技术推向民用市场。

这项研究在初步实验中取得令人满意的结果,不过仍然处于验证阶段。“各向异性和渐变是超材料的特性,也是变换光学所需要的,如果二维材料也能类似调控,将是一个非常有前景的领域。”陈焕阳介绍,另一项研究中,Qiaoliang Bao和Cheng-Wei Qiu教授课题组合作构筑的叠层结构,已经可以通过控制两片三氧化钼晶体的叠层转角,从光学上实现从椭圆色散到双曲色散的各向异性连续调控。虽然目前渐变调控还稍微困难,相信不久的将来能够攻破。

研究人员表示,如果这些科学问题都能解决,也许可以催生一个变换等离激元学的新研究方向,对将来片上光子学芯片的集成和灵活操控,大有裨益。这些课题目前都是偏应用基础性的研究,在产业和商业化应用上还有相当长的一段路要走,但毋庸置疑,新材料及其新特性的发现一定会带来一些新的应用。

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