擁有奇異光學(xué)特質(zhì)的工程學(xué)結(jié)構(gòu)已經(jīng)走出實驗室，開始進入市場。
如果物理學(xué)家Tom Driscoll沒有再次聽到“哈利·波特的隱身衣”這樣的形容，他將十分開心。但他知道這無法避免。輿論界在報道超材料的最新進展時，并沒有抵制使用這個詞。這些新材料是能彎曲、分散、傳輸，或以某些方式塑造電磁輻射的一系列極小“元素”。
的確，超材料大體上能圍繞物體傳送光，并使得它們不可見。還有一些超材料研究人員正試著制作一件真正的隱身衣，尤其是因為軍隊急切地資助研發(fā)此類功能材料。
不過，這樣的應(yīng)用得以實現(xiàn)，還將需要數(shù)十年的時間。技術(shù)的商業(yè)轉(zhuǎn)化對Driscoll來說更有吸引力。
Driscoll在美國一個專利聚合公司——高智發(fā)明公司中負責(zé)監(jiān)管超材料商業(yè)化。他表示，成本更低的通訊衛(wèi)星、更薄的智能手機和超快光學(xué)數(shù)據(jù)處理等應(yīng)用是“超材料準備大顯身手的領(lǐng)域”。
從金和硅中蝕刻出來的元件使得超材料結(jié)構(gòu)可以迅速改變其傳播和反射光的能力
研究人員仍面臨一些嚴峻的挑戰(zhàn)，他補充道，尤其是尋找能在納米尺度上制造和操縱超材料元素的便宜方法。但是首個超材料產(chǎn)品預(yù)計能在1年左右上市銷售。Driscoll希望，在那之后不久，普通消費者也能夠開始享受這種福利，例如在飛機上享受到更快更便宜的網(wǎng)絡(luò)連接等。
首個超材料的實驗室演示由美國加州大學(xué)圣迭戈分校物理學(xué)家David Smith及其同事于2000年公布。在上世紀90年代英國帝國理工學(xué)院的John Pendry完成理論研究后，這些研究人員表示，一排微小銅線和金屬環(huán)對微波有負的折射率。超材料引發(fā)人們極大興趣的一部分原因就是這種彎曲輻射的能力，即制造隱身衣的潛能。
從那以來，Smith等人探索了對超材料的各種想法。他們還超越了靜態(tài)陣列，設(shè)計了技術(shù)改變元素排列的方式。結(jié)果產(chǎn)生的材料能從不透明變?yōu)橥该鳎蛘邚募t色變?yōu)樗{色。
市場動態(tài)
今年1月，現(xiàn)就職于北卡羅來納州杜克大學(xué)的Smith開始兼任高智發(fā)明公司超材料商業(yè)化主管。“我認為，當(dāng)時恰合時宜，并且對于其中一些東西，我們不需要作更多的科學(xué)研究。”他說。
一個相關(guān)測試案例可能在明年就可開始。高智發(fā)明公司在華盛頓雷德蒙的分公司希望上市一種緊湊型天線，這將是第一款消費者導(dǎo)向的超材料產(chǎn)品。這個相對便宜的設(shè)備將能為飛機、火車、船舶、汽車以及其他遠離移動網(wǎng)絡(luò)的平臺提供寬頻的衛(wèi)星通訊。
在天線的中心——細節(jié)仍是機密——是一個扁平的線路板，包含數(shù)千個電子超材料元件，通過裝置內(nèi)部軟件的控制，每個元件的性能可以瞬間改變。這允許天線追蹤穿過整個天空的衛(wèi)星，而不用維持特定的朝向。軟件能不斷地調(diào)整每個超材料元件的電學(xué)特性，而天線仍然保持靜止。
Smith表示，該技術(shù)比碗型天線等替代性選擇更加緊密。“它節(jié)省了成本、重量和能耗。”該公司已經(jīng)為投資者和潛在開發(fā)伙伴示范了相關(guān)技術(shù)。
但是，Smith提醒，該公司尚未對新天線進行定價，在嚴格維持新天線性能標(biāo)準的同時，還需要降低成本。
關(guān)于新天線的一些細節(jié)，研究人員則表示很難予以評估。但Smith高度重視這一領(lǐng)域。一旦該公司將這一產(chǎn)品投放市場，它可能首先為私人飛機和客機提供天線。如果買主反響良好，該公司希望將該技術(shù)合并入其他生產(chǎn)線。
聚焦平面
盡管存在不少困難，但光學(xué)超材料的可行設(shè)計開始出現(xiàn)。3月，英國南安普頓大學(xué)物理學(xué)家Nikolay Zheludev領(lǐng)銜的研究小組發(fā)表了自己的研究，Zheludev還在新加坡南洋理工大學(xué)指導(dǎo)一個聚焦超材料的研究中心。該研究小組的設(shè)計能夠通過納米級手段，極大改變其傳送或反射光波長的能力。將來它有望成為高速纖維光學(xué)通信網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)。
同時，因為制作以及在光學(xué)尺度上控制三維超材料陣列十分困難，一些研究人員將目光投向了二維的“超表面”。
2012年8月，美國哈佛大學(xué)的Federico Capasso及其同事設(shè)計出一種平的超材料鏡頭，它能將紅外光聚焦到一個點上，幾乎與玻璃鏡頭一樣。“我不想說這是絕對新穎的。”Capasso說，“但我相信我們是第一個如此明確地將平面光學(xué)器件植入商業(yè)應(yīng)用的團隊。”
一個傳統(tǒng)鏡頭依賴折射使光變彎曲，從而聚焦到一個點上。Capasso的鏡頭使光通過一個金的超材料二維陣列，這些超材料是使用光刻技術(shù)電子束從一個60納米厚的硅片上蝕刻出來的。金元件被固定，因此裝配后也不能調(diào)整。但是，在制造過程中，通過選定特殊的形狀和間隔，物理學(xué)家能將選定波長的光以精確的正確方式到達一個焦點。
Capasso警告稱，這種平面鏡頭的商業(yè)化歷程或許仍需要10多年。部分原因是由于硅是一種堅硬易碎的基質(zhì)，研究人員考慮使用更強健靈活的替代品，使其可以更容易在生產(chǎn)線上操作。他們也在尋找更好的方式，控制納米元件的蝕刻，這些工作需要非常精確。
但是，Capasso表示，一旦相關(guān)技術(shù)被掌握，一個顯著的應(yīng)用是在智能手機內(nèi)置相機中。當(dāng)然，這種平面鏡頭仍然會受到光衍射的限制。不過超材料提供了一種制造“超級透鏡”的方式，或能超越這些限制。
早在2005年，加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)家Xiang Zhang及其同事就演示了一個早期的超級透鏡概念。該研究小組制造了一種簡單的超材料，包含35納米厚的銀層，位于鉻和塑料納米級夾層中間。
可逆焦點
通過將傳統(tǒng)光學(xué)與基于超材料的超級透鏡等相匹配，Zhang希望能最終實現(xiàn)遠遠超出顯微鏡學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。正如那些能夠放大次波長細節(jié)的構(gòu)建一樣，它們也可以逆向運行，引導(dǎo)光束進入次波長焦點——該性能可能會對使用光刻技術(shù)制造極小結(jié)構(gòu)有革命性的重要作用。
如果超級透鏡能被利用，超細光束將能被用于蝕刻現(xiàn)在還無法達到的更小結(jié)構(gòu)。這將極大增加光驅(qū)的數(shù)據(jù)儲存密度。
Smith對此十分謹慎，他指出，與其他目前開發(fā)的相關(guān)先進技術(shù)相比，超級透鏡趨向驅(qū)散更多光能。他說，這使得它們是“引人注目的科學(xué)，但尚未被應(yīng)用于任何產(chǎn)品中”。不過，他補充道，Zhang的努力是“英雄般的試驗，從根本上證明了超材料的潛力”。
Zhang也承認超級透鏡等尚未準備就緒，但是他相信，在未來幾年里，正在進行的研究有足夠的空間改變這一現(xiàn)狀。他說：“經(jīng)濟影響可能十分巨大，我對超材料、超級透鏡和光刻技術(shù)革命，保持謹慎的樂觀。”
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