一言不合就隱身！“玩弄”光線的光子晶體是怎樣的存在？

材料牛注：隱身斗篷最近也不是什么新鮮事了，可是真正便捷實用好用的還真沒有，問題就出在這個材料上！近日，密西根理工大學的研究人員就制備出了一種奇特的光子晶體，能夠“玩弄”光線于股掌之間，不僅能使光拐彎，還能再加速，從而達到使物體隱身的效果！

現在，采用金屬元素制造隱身斗篷的超材料，有一些難題還是無法得到解決。

主要有三點：一是控制各向異性，即必須合理控制斗篷在不同方向對光波的傳導存在的差異；二是必須保證斗篷材料能對微波和可見光波起作用，這一點很重要；三是科學家需要盡量降低損耗，因為這會限制隱身物體的尺寸。

電氣工程副教授Elena Semouchkina和她的研究生們已經研發出一些新技術，使隱身斗篷更加實用。他們最新的成果發表在Journal of Optics雜志的一期關于變換光學的專刊上，主要介紹了一種很有前景的新方法，能夠控制電磁波使物體隱身。他們采用了一種光子晶體來實現這一效果。

隱身的科學

隱身并不是魔術師的小把戲，其真正的科學原理是改變電磁波的傳播方向。隱身裝置在一定的空間內使電磁波的傳播路徑發生扭曲，從而隱藏某一物體，然后使電磁波沿著彎曲的軌跡加速移動。根據變換光學的基本原理，可以通過公式計算，預測出能夠以特定方式扭曲電磁波的材料的性能在空間上的分布特點。

為了研制出這種材料，Semouchkina和她的團隊開始使用介電諧振器制備的超材料，而不是金屬超材料。因為介電材料具有極低的電導率和損耗，并且介電諧振器能使電磁波在其中來回反彈，就像作為聲波共鳴器的音叉一樣，這樣就能控制電磁波在隱身裝置中的傳播了。

目前，Semouchkina研制出來的隱身材料具有周期結構，叫做光子晶體。這種光子晶體是含有介電桿的特定晶體結構。與一般的超材料不同，這些晶體原子的共振并不會以波的形式傳播。擁有奇特性能的光子晶體讓隱身斗篷的不再遙遠！

超光速材料

Semouchkina團隊用來制備隱身材料的光子晶體能使傳播的電磁波達到超光速的相位速度，簡單的說，就是它能使電磁波超光速。

這樣的高速就能使電磁波前沿快速地“繞”過物體繼續向前傳播。就像鉆石能將光折射成五顏六色，這種光子晶體也擁有這種特定的折射指數各向異性，也就是說沿著不同晶面傳播的電磁波的相位速度也是不一樣的。正是由于這種相位速度的相互抵消，才產生了隱身的奇特效果。

Semouchkina表示：“解決各向異性難題的關鍵的一點是，調整晶體在特定方向上的晶格參數。”

隱身技術的應用極其的廣泛，從國防到工業，它能發揮的作用超出你我的想象。雖然隱身斗篷還是那么神秘莫測，但是科學的道理其實很簡單，就是控制光線而已。

原文鏈接：Invisibility cloak with photonic crystals。

文獻鏈接：Superluminal media formed by photonic crystals for transformation optics-based invisibility cloaks。

本文由編輯部劉萬春提供素材，williamyen編譯，點我加入材料人編輯部。