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来源：本站 作者：编辑07 时间：2009-01-20 浏览： 2次 【打印论文】【收藏论文】
“超材料”的奇异光学性质曾经引发许多争议，利用这种材料建造的超透镜所能生成的图像，将比所用光波的波长更加精细。 大约在40年前，俄罗斯科学家维克托·韦谢拉戈（VictorVeselago）灵光一现，设想了一种能够颠覆光学世界的物质：它能够使光波看起来如同倒流一般，而且在许多方面表现得有违常理。由这种物质制成的全新类型的透镜几乎拥有不可思议的特性，这些特性将使它胜过以往的任何一种已知的透镜。问题的关键在于：这种物质必须拥有负折射率（“折射”描述了波在进入或离开这种物质时，它的传播方向发生改变的程度）。所有已知的物质都拥有正折射率。经过多年苦苦寻觅，韦谢拉戈没能找到任何物质可以满足他所追求的性质，他的猜想也就渐渐被人淡忘了。 最近的一项惊人进展，使韦谢拉戈的想法再度复苏。大多数物质的电磁属性，都直接起源于构成这种物质的原子和分子的性质。这些原子分子的性质取值范围有限，因此我们所知的上百万种物质都只能展示出有限的电磁特性。不过在20世纪90年代中期，在与英国马可尼材料技术公司的科学家的通力合作之下，本文作者彭德里意识到，除了由一块单一物质直接构成以外，“材料”还可以拥有其他细微结构。换句话说，材料的电磁特性可以从这些小结构中获得，这些小结构合力产生了原本不可能出现的效应。 马可尼的研究小组开始制造这些所谓的“超材料”（metamaterials），并且证明几种材料散射电磁波的方式，不同于任何已知的物质。2000年，本文作者史密斯和美国加利福尼亚州大学圣迭戈分校（UniversityofCalifornia,SanDiego，缩写为U.C.S.D.）的同事一起，发现了一种超材料的排列组合——能够提供令人困惑的负折射率。 光在负折射物质中的行为非常怪异，以至于理论学家实际上已经改写了电磁学的相关内容——当然这个过程也免不了一些激烈的争论：这样的物质是否真实存在。与此同时，实验学家正在努力研发技术，以便利用超材料的古怪性质：例如超透镜（superlen）将能生成比所用光波的波长更加精细的图像，这个特点将使微型电路的光刻技术（opticallithography）很好地延伸到纳米尺度，还能让光盘存储更加海量的数据。要将这些前景变为现实，还需要进行更多研究，不过现在，韦谢拉戈的梦想终于实现了，我们正在大踏步地前进。 神奇的负折射 为了理解负折射是如何产生的，我们必须了解物质影响电磁波的过程。当电磁波（例如一束光线）穿越某种物质时，构成这种物质的原子或分子内部的电子，就会在力的作用下发生相应的移动。这种运动消耗了电磁波的一部分能量，影响了它的性质和传播方式。通过调整物质的化学构成，科学家就能对它传导电磁波的特性加以微调，实现特殊的用途。 不过，正如超材料所证明的那样，化学方法并不是开发某种材料，使它具备某种有趣的电磁响应特性的唯一途径。我们还可以制造微小但却宏观的结构，以此来设计电磁响应特性。这种方法之所以成为可能，是因为典型的电磁波波长——也就是电磁波完成一个周期变化所传播的特征距离，往往比构成这种物质的原子或分子大了好几个量级。电磁波“看见”的不是单个分子，而是数百万个分子的整体响应。在超材料之中，它的构成单元也远小于波长，因此电磁波也无法单独看见这些单元。在电磁波的眼中，这些构成单元和真正的分子或原子没有区别。 顾名思义，它既包含电场，也包含磁场。每一种场都会使物质中的电子产生一种特征运动——电场对应于电子的前后移动，而磁场则对应于电子的圆周运动。两个物理参数分别定量地描述了物质中这两种响应的强度：介电常数ε描绘了电子对电场的反应强弱；磁导率μ则代表了电子对磁场的反应程度。对于大多数物质而言，ε和μ都是正的。 物质的折射率n是光学响应的另一项重要指标。折射率与ε和μ存在一个简单的运算关系：n=±√εμ。对所有已知的物质来说，平方根前面必须取正号；因此，折射率就是正数。不过韦谢拉戈在1968年证明，如果ε和μ同时为负，那么n也必须加上负号。这样，ε和μ同时为负值的物质，就成了一种负折射率物质。 负ε和负μ意味着，电子在这种物质中的移动方向，与电场和磁场施加的作用力方向相反。虽然这样的行为看似荒谬，但要让电子逆着电磁场施加的“推力”而动，其实是一件相当简单的事情。 想象一个秋千：给它施加一个缓慢而又稳定的推力，秋千就会顺从地朝着推力的方向移动——不过它并不会摆得很高。一旦秋千运动起来，它会趋向以一个特定的频率来回摆动，这个频率在科学上被称为共振频率。周期性地推动秋千，并且与它的摆动保持同步，秋千就会越荡越高。现在，尝试用更快的频率来推动秋千，推力就会与秋千的运动脱离同步、失去协调——在某个位置，也许你的手臂正要伸出，秋千就已经反冲了回来。假如你之前已经推了好一阵子，那么秋千也许就具备了将你撞倒的足够动量，现在就是它反过来推你了。根据同样的方式，在拥有负折射率的物质之中，作为秋千的电子也会与电磁场所施加的“推力”脱离同步，逆着它们的方向而动。 超材料 共振——以某一特定频率发生振荡的趋势，是实现这种负响应的关键。通过构建小型电路，使它们能够模拟物质中发生的电磁响应，共振就被人为引入到超材料之中。例如，在一个开口金属谐振环（split-ringresonator，缩写为SRR）中，从金属环中穿过的磁通量就会在环上产生旋转电流，这跟磁场在物质中产生的效果类似[参见后面的插图]。另一方面，在一个由直金属棒构成的阵列中，电场就会产生前后流动的电流。 如果不施加任何作用，电子会在这些电路中自然而然地以某个共振频率往复移动，这个频率的数值取决于这些电路的结构和大小。对它们施加一个变化频率低于共振频率的场，就会得到一个标准的正响应。然而，只要变化频率高于共振频率，响应就会变成负值——就像推动的频率快过共振频率，秋千就会反推回来一样。这样，金属棒就能在某个频率范围之内提供拥有负ε的电响应，而谐振环也可以在同样的频段内提供拥有负μ的磁响应。这些金属棒和谐振环，正是构建多种有趣超材料所必需的建筑原料。这些超材料之中就包括了韦谢拉戈苦苦寻觅而未果的那种物质。 2000年，U.C.S.D.的科研团队所做的实验给出了第一项实验证据，证明拥有负折射率的物质是可以存在的。超材料所要满足的最苛刻条件就是，基础元件必须远小于电磁波的波长，因此该团队在实验中采用了微波。微波的波长为几个厘米，因此超材料基础元件的大小可达几个毫米——这是一个容易做到的尺寸。 这个团队设计了一种超材料，它由金属棒和谐振环交织而成，构成了一个棱镜的形状。金属棒提供了负ε，谐振环提供了负μ。他们推测，两者结合应该能够产生负折射率。为了进行比较，他们还用特富龙（Teflon聚四氟乙烯）制作了形状相同的棱镜，这种物质的折射率是正的，数值为n=1.4。研究人员将一束微波照射到棱镜表面，然后测量了透射过来的微波在不同角度上的强弱变化。正如他们所料，微波束在特富龙棱镜中发生了正折射，而在超材料棱镜中却发生了负折射。韦谢拉戈的推测现在成为现实：拥有负折射率的物质终于诞生了。 事实果真如此吗？ 是真是假？ U.C.S.D.的实验，连同物理学家针对负折射物质所做的惊人新预言，立即引起了其他研究人员的极大兴趣。在韦谢拉戈提出设想的时候，超材料还没有问世，科学界并没有仔细审视负折射的概念。现在，超材料的出现，使这种理论所暗示的疯狂念头有了实现的可能，人们也对此投入了更多的关注。怀疑论者开始质疑，负折射物质究竟有没有违背物理学的基本规律？如果违背的话，这项研究的整个过程都将毫无意义。 ||| “超材料”的奇异光学性质曾经引发许多争议，利用这种材料建造的超透镜所能生成的图像，将比所用光波的波长更加精细。 大约在40年前，俄罗斯科学家维克托·韦谢拉戈（VictorVeselago）灵光一现，设想了一种能够颠覆光学世界的物质：它能够使光波看起来如同倒流一般，而且在许多方面表现得有违常理。由这种物质制成的全新类型的透镜几乎拥有不可思议的特性，这些特性将使它胜过以往的任何一种已知的透镜。问题的关键在于：这种物质必须拥有负折射率（“折射”描述了波在进入或离开这种物质时，它的传播方向发生改变的程度）。所有已知的物质都拥有正折射率。经过多年苦苦寻觅，韦谢拉戈没能找到任何物质可以满足他所追求的性质，他的猜想也就渐渐被人淡忘了。 最近的一项惊人进展，使韦谢拉戈的想法再度复苏。大多数物质的电磁属性，都直接起源于构成这种物质的原子和分子的性质。这些原子分子的性质取值范围有限，因此我们所知的上百万种物质都只能展示出有限的电磁特性。不过在20世纪90年代中期，在与英国马可尼材料技术公司的科学家的通力合作之下，本文作者彭德里意识到，除了由一块单一物质直接构成以外，“材料”还可以拥有其他细微结构。换句话说，材料的电磁特性可以从这些小结构中获得，这些小结构合力产生了原本不可能出现的效应。 马可尼的研究小组开始制造这些所谓的“超材料”（metamaterials），并且证明几种材料散射电磁波的方式，不同于任何已知的物质。2000年，本文作者史密斯和美国加利福尼亚州大学圣迭戈分校（UniversityofCalifornia,SanDiego，缩写为U.C.S.D.）的同事一起，发现了一种超材料的排列组合——能够提供令人困惑的负折射率。 光在负折射物质中的行为非常怪异，以至于理论学家实际上已经改写了电磁学的相关内容——当然这个过程也免不了一些激烈的争论：这样的物质是否真实存在。与此同时，实验学家正在努力研发技术，以便利用超材料的古怪性质：例如超透镜（superlen）将能生成比所用光波的波长更加精细的图像，这个特点将使微型电路的光刻技术（opticallithography）很好地延伸到纳米尺度，还能让光盘存储更加海量的数据。要将这些前景变为现实，还需要进行更多研究，不过现在，韦谢拉戈的梦想终于实现了，我们正在大踏步地前进。 神奇的负折射 为了理解负折射是如何产生的，我们必须了解物质影响电磁波的过程。当电磁波（例如一束光线）穿越某种物质时，构成这种物质的原子或分子内部的电子，就会在力的作用下发生相应的移动。这种运动消耗了电磁波的一部分能量，影响了它的性质和传播方式。通过调整物质的化学构成，科学家就能对它传导电磁波的特性加以微调，实现特殊的用途。 不过，正如超材料所证明的那样，化学方法并不是开发某种材料，使它具备某种有趣的电磁响应特性的唯一途径。我们还可以制造微小但却宏观的结构，以此来设计电磁响应特性。这种方法之所以成为可能，是因为典型的电磁波波长——也就是电磁波完成一个周期变化所传播的特征距离，往往比构成这种物质的原子或分子大了好几个量级。电磁波“看见”的不是单个分子，而是数百万个分子的整体响应。在超材料之中，它的构成单元也远小于波长，因此电磁波也无法单独看见这些单元。在电磁波的眼中，这些构成单元和真正的分子或原子没有区别。 顾名思义，它既包含电场，也包含磁场。每一种场都会使物质中的电子产生一种特征运动——电场对应于电子的前后移动，而磁场则对应于电子的圆周运动。两个物理参数分别定量地描述了物质中这两种响应的强度：介电常数ε描绘了电子对电场的反应强弱；磁导率μ则代表了电子对磁场的反应程度。对于大多数物质而言，ε和μ都是正的。 物质的折射率n是光学响应的另一项重要指标。折射率与ε和μ存在一个简单的运算关系：n=±√εμ。对所有已知的物质来说，平方根前面必须取正号；因此，折射率就是正数。不过韦谢拉戈在1968年证明，如果ε和μ同时为负，那么n也必须加上负号。这样，ε和μ同时为负值的物质，就成了一种负折射率物质。 负ε和负μ意味着，电子在这种物质中的移动方向，与电场和磁场施加的作用力方向相反。虽然这样的行为看似荒谬，但要让电子逆着电磁场施加的“推力”而动，其实是一件相当简单的事情。 想象一个秋千：给它施加一个缓慢而又稳定的推力，秋千就会顺从地朝着推力的方向移动——不过它并不会摆得很高。一旦秋千运动起来，它会趋向以一个特定的频率来回摆动，这个频率在科学上被称为共振频率。周期性地推动秋千，并且与它的摆动保持同步，秋千就会越荡越高。现在，尝试用更快的频率来推动秋千，推力就会与秋千的运动脱离同步、失去协调——在某个位置，也许你的手臂正要伸出，秋千就已经反冲了回来。假如你之前已经推了好一阵子，那么秋千也许就具备了将你撞倒的足够动量，现在就是它反过来推你了。根据同样的方式，在拥有负折射率的物质之中，作为秋千的电子也会与电磁场所施加的“推力”脱离同步，逆着它们的方向而动。 超材料 共振——以某一特定频率发生振荡的趋势，是实现这种负响应的关键。通过构建小型电路，使它们能够模拟物质中发生的电磁响应，共振就被人为引入到超材料之中。例如，在一个开口金属谐振环（split-ringresonator，缩写为SRR）中，从金属环中穿过的磁通量就会在环上产生旋转电流，这跟磁场在物质中产生的效果类似[参见后面的插图]。另一方面，在一个由直金属棒构成的阵列中，电场就会产生前后流动的电流。 如果不施加任何作用，电子会在这些电路中自然而然地以某个共振频率往复移动，这个频率的数值取决于这些电路的结构和大小。对它们施加一个变化频率低于共振频率的场，就会得到一个标准的正响应。然而，只要变化频率高于共振频率，响应就会变成负值——就像推动的频率快过共振频率，秋千就会反推回来一样。这样，金属棒就能在某个频率范围之内提供拥有负ε的电响应，而谐振环也可以在同样的频段内提供拥有负μ的磁响应。这些金属棒和谐振环，正是构建多种有趣超材料所必需的建筑原料。这些超材料之中就包括了韦谢拉戈苦苦寻觅而未果的那种物质。 2000年，U.C.S.D.的科研团队所做的实验给出了第一项实验证据，证明拥有负折射率的物质是可以存在的。超材料所要满足的最苛刻条件就是，基础元件必须远小于电磁波的波长，因此该团队在实验中采用了微波。微波的波长为几个厘米，因此超材料基础元件的大小可达几个毫米——这是一个容易做到的尺寸。 这个团队设计了一种超材料，它由金属棒和谐振环交织而成，构成了一个棱镜的形状。金属棒提供了负ε，谐振环提供了负μ。他们推测，两者结合应该能够产生负折射率。为了进行比较，他们还用特富龙（Teflon聚四氟乙烯）制作了形状相同的棱镜，这种物质的折射率是正的，数值为n=1.4。研究人员将一束微波照射到棱镜表面，然后测量了透射过来的微波在不同角度上的强弱变化。正如他们所料，微波束在特富龙棱镜中发生了正折射，而在超材料棱镜中却发生了负折射。韦谢拉戈的推测现在成为现实：拥有负折射率的物质终于诞生了。 事实果真如此吗？ 是真是假？ U.C.S.D.的实验，连同物理学家针对负折射物质所做的惊人新预言，立即引起了其他研究人员的极大兴趣。在韦谢拉戈提出设想的时候，超材料还没有问世，科学界并没有仔细审视负折射的概念。现在，超材料的出现，使这种理论所暗示的疯狂念头有了实现的可能，人们也对此投入了更多的关注。怀疑论者开始质疑，负折射物质究竟有没有违背物理学的基本规律？如果违背的话，这项研究的整个过程都将毫无意义。 ||| 最激烈的争论之一，集中在我们对复杂物质中波速的理解上。光在真空中传播的速度最快，达到了每秒30万米。这个速度用符号c来表示。不过，光在物质中的传播速度，需要除以一个折射率因子——也就是说，速度v=c/n。可是，假如n是负值又会如何呢？这个公式对光速所做的简单解释暗示，光会逆向传播。 要做出更加完整的回答，我们就必须对波的两种速度——相速度（phasevelocity）和群速度（groupvelocity）有所认识。为了理解这两种速度，请设想一个在物质中传播的光脉冲。这个脉冲看起来就像第73页的最后一张插图所演示的那样：波的脉动在这个脉冲的中心达到最大值，然后再逐渐平息下来。相速度就是单个脉动传播的速度。群速度则是整个脉冲波形移动的速度。两种速度并不一定非要相同。 在负折射物质中，正如韦谢拉戈已经发现的，群速度和相速度的方向相反。令人吃惊的是，即使在脉冲波形整体向前移动的时候，脉冲中的单个脉动也会向后传播。对于一束连续的光波，例如一个完全浸没在负折射物质中的手电筒发出的光线来说，这个事实同样会产生令人惊异的结果。如果你能够看见光波中的单个脉动，你会发现它们从光束射中的物体上出现，沿着光束逆向传播，最终消失在手电筒中，仿佛在看一部倒带的电影一样。不过，光束携带的能量还是跟人们的预期一样，从手电筒中发出，然后向前传播。这才是光束实际传播的方向，尽管其中的脉动正在惊人地倒退。 实际上，研究光波中的单个脉动并非易事，光脉冲的细节也相当复杂，因此物理学家经常使用一个巧妙的技巧，来演示群速度和相速度的差异。如果我们将同向传播的两束不同的波叠加起来，它们就会发生干涉，形成拍频波形图（beatpattern）。这些拍的传播速度就相当于群速度［译注：频率不同的波叠加在一起，就会产生高低不平的波峰。如果将它们转换成声音，听起来就像有规律的节拍。因此，叠加之后的波形图就被称为拍频波形。 2002年，美国得克萨斯大学奥斯汀分校的普拉山特·M·瓦伦尤（PrashantM.Valanju）及其同事，将这个概念应用到了U.C.S.D.的实验之中。当两束波长不同的波在正、负折射物质的分界面上发生折射时，它们偏折的角度略有不同。由此产生的拍频波形图并不遵从负折射光束的规律，反而呈现出正折射的特点。得克萨斯大学的研究人员将频拍波形图等同于群速度，因此得出了这样的结论：任何物理上真实存在的波，都将只能经历正折射过程。尽管拥有负折射率的物质能够存在，但负折射现象却是不可能发生的。 假设得克萨斯大学的物理学家的发现是正确的，那么U.C.S.D.实验的结果又该如何解释呢？瓦伦尤和许多其他的研究人员将这种表面上的负折射归因于其他的多种现象。也许是这种样品确实吸收了太多能量，以至于微波只能从棱镜狭窄的一侧渗透过去，产生了微波发生了负折射的假象？毕竟，U.C.S.D.的实验样品会产生严重的吸收，测量也不是在非常远离棱镜表面的地方进行的，这些因素使上述吸收理论成了一种可能的解释。 这个结论引起了极大的关注，因为它们不仅可能推翻U.C.S.D.实验的结果，还可能使韦谢拉戈预言的所有现象都失去意义。不过，在经过了一番思考之后，我们意识到，他们将拍频波形图视为群速度的指标，这种做法其实是错误的。我们得出结论：对于传播方向不一致的两列波来说，它们所产生的干涉波形图实际上与群速度无关。 批评者的论据开始崩溃，进一步证实负折射的实验也接踵而至。波音鬼怪工程部（俗称“幽灵工厂”，位于美国西雅图）米纳斯·塔涅利安（MinasTanielian）的研究小组利用一种吸收率极低的超材料棱镜重复了U.C.S.D.的实验。波音小组还将探测器安置在距离棱镜很远的地方，从而排除了超材料吸收产生负折射假象的可能性。波音和其他小组取得的数据，以值得推崇的质量，为关于负折射真实性的任何残存疑虑画下了句号。尽管这种新材料的微妙之处仍然困扰着我们，不过现在我们终于可以无拘无束地前行，大胆开拓这片全新的领域了。 超越韦谢拉戈 论战的硝烟散尽之后，我们开始意识到，韦谢拉戈之前讲述的非凡故事并没有完全概括光在负折射物质中的行为方式。当时他使用的关键方法之一，是光路分析法（raytracing）——通过描绘光线应该遵循的路线，这种方法可以分析光在不同物质的介面上发生的反射和折射。 光路分析法是一项威力强大的技术，能够帮助我们理解诸多问题，例如，为什么游泳池中的物体看起来会比实际情况更加靠近水面、为什么半淹在水里的铅笔似乎是弯的等。这些现象产生的原因在于，水的折射率（n约等于1.3）大于空气的折射率，光束在空气和水的交界面上发生了偏折。折射率大约等于真实深度和表现深度之比。 光路分析法还暗示，在一个负折射泳池中游泳的孩子，看起来会像悬浮在水面上方一样（这倒是一种颇具价值的安全保障！）。泳池内的所有东西，包括池壁在内，似乎都会出现在水面以上。 韦谢拉戈利用光路分析法预言，折射率n=–1的负折射物质构成的一块平板，将成为一个拥有空前性质的透镜。大部分读者所熟悉的透镜都拥有正折射率，例如相机、放大镜、显微镜和望远镜中所用的镜片都是如此。它们有一个焦距，焦距和物—镜间距的组合决定了透镜成像的位置。这个图像的大小通常与实物不同，透镜对其光轴附近的物体成像效果最佳。韦谢拉戈透镜的工作原理却与那些透镜截然不同（参见下面的插图）：它要简单得多，只对邻近的物体发挥作用，它可以将整个光场从透镜的一侧传输到另一侧。 韦谢拉戈透镜如此不同寻常，以至于彭德里不得不问：它的表现究竟能有多完美？特别是，韦谢拉戈透镜的终极分辨率会是多少？正折射光学元件受到了衍射极限的约束，所能分辨的细节必须大于或等于从物体上反射回来的光波波长。衍射为所有的成像系统设下了最终的限制，举例来说，它决定了显微镜能够看到的最小物体，也决定了望远镜可以分辨的、两颗恒星之间的最近距离。在微芯片工业中，衍射还决定了光刻技术所能制造的最小结构。与此类似，衍射还限制了数字视盘（DVD）在光学上所能存储或检索的信息总量。一种绕开衍射极限的方法将会彻底变革光学技术，使光刻技术很好地延伸到纳米尺度，也许还会使光盘的数据存储量提高上百倍。 为了确定负折射光学元件能否胜过正折射器件，我们必须寻求光路分析法以外的其他技术。那种方法忽略了衍射，因此无法用来预言负折射透镜的分辨率。为了将衍射包含在内，我们不得不使用一种更加精确的方法，对电磁场加以描述。 超透镜 在更加精确的描述中，电磁波的所有来源——不论是发光的原子、无线电天线，还是从小孔中透射而出的一束光线——都会产生两种截然不同的电磁场：远场（farfield）和近场（nearfield）。顾名思义，远场能够辐射到远离物体的地方，并被透镜俘获形成图像。不幸的是，它只包含物体的粗略影像，衍射使分辨率受到光波波长的限制。另一方面，近场包含了物体所有最精细的细节，但其强度会随距离急速下降。捕捉极其微弱的近场，并将它转换为图像，这样的能力对正折射透镜来说遥不可及。不过，负折射透镜对此却并非无能为力。 彭德里对韦谢拉戈透镜与近场和远场发生相互作用的方式进行了细致的研究，据此，他在2000年得出结论：从理论上讲，这种透镜可以同时对近场和远场进行重新聚焦——这个结论令所有人大吃一惊。如果这个惊人的预言是正确的，那就意味着韦谢格拉透镜不会像所有已知的光学元件一样，受到衍射极限的约束。因此，这种负折射平板就被称为超透镜。 ||| 在随后的分析中，我们和其他研究人员发现，超透镜的分辨率受到了负折射物质品质的限制。最佳的成像性能不仅要求折射率n=–1，还要求ε=–1和μ=–1同时得到满足。如果达不到这种理想的要求，透镜的分辨能力就会急剧下降。同时满足这些条件，是一个非常严苛的要求。不过在2004年，加拿大多伦多大学的安东尼·格比克（AnthonyGrbic）和乔治·埃莱夫塞里亚德斯（GeorgeEleftheriades）从实验上证明，一种经过设计能够在无线电波段同时满足ε=–1和μ=–1超材料，的确可以分辨尺寸小于衍射极限的物体。他们的结果证明，超透镜是能够制造出来的——不过对于波长更小的可见光波段，超透镜的梦想能否成真呢？ 将超材料推广到光学波段，这种尝试将面临双重挑战。首先，由导电金属制成的超材料微型电路，例如金属棒和谐振环，必须缩小到纳米尺度，这样它们才能比可见光的波长（400到700纳米）更加微小；其次，更短的波长对应于更高的频率，在这种频率下，金属的导电性能会有所下降，因此会抑制超材料所依赖的共振。2005年，美国爱荷华州立大学的科斯塔斯·苏库利斯（CostasSoukoulis）和德国卡尔斯鲁厄大学的马丁·韦格纳（MartinWegener）从实验上证明，能够在波长小到1.5微米的电磁波中发挥作用的开口金属谐振环，是可以制成的。尽管这种磁场共振在这么小的波长中变得相当微弱，但有趣的超材料仍然能够制成。 不过，我们仍然无法制成一种能够在可见光波段满足μ=–1的物质。幸运的是，一种折衷方案也许是可行的。当物体与像之间的距离远小于波长时，只要我们满足了ε=–1的条件，就可以完全忽略μ的取值。就在去年，新西兰坎特伯雷大学的理查德·布莱基（RichardBlaikie）小组和美国加利福尼亚大学伯克利分校的张翔（XiangZhang）小组各自独立地按照这一处方，在一种光学系统中证明了超分辨率的存在。在可见光波段，金属的固有共振能够产生负介电常数。因此，对某个能使金属满足ε=–1的波长来说，极薄的一层金属就能起到超透镜的作用。布莱基和张翔都使用大约40纳米厚的银层，对波长为365纳米的光线进行了成像。这些光线从一些排列成特定形状的小孔中射出，小孔的直径小于光波波长。尽管薄银层远非理想的透镜，但银制超透镜已经大大提高了图像分辨率，证明了超透镜成像的基本原理。 面向未来 超透镜成像实验，只是负折射物质即将实现的众多预言中的最新一项——这是这片新兴领域中进展迅速的一个迹象。事实上，负折射的前景已经使物理学家重新检验了整个电磁学理论。一度认为早已被完全理解的基本光学现象（例如折射和衍射极限），现在已经在负折射物质中出现了意想不到的新变化。 将超材料和负折射物质的魔法转变成实用技术，仍然困难重重。那些步骤将包括更加完美地设计超材料，并将它们的生产成本控制在某个价格以下。现在，活跃在这一领域的多个研究团队，正不遗余力地应对这些挑战。 （译/张旭校/虞骏审/周济） 超透镜 颠覆光学常识 约翰·Ｂ·彭德里 戴维·Ｒ·史密斯 上一页12 下一页
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.超透镜 颠覆光学常识约翰·Ｂ·彭德里 戴维·Ｒ·史密斯
来源：本站 作者：编辑07 时间：2009-01-20 浏览： 2次 【打印论文】【收藏论文】
“超材料”的奇异光学性质曾经引发许多争议，利用这种材料建造的超透镜所能生成的图像，将比所用光波的波长更加精细。 大约在40年前，俄罗斯科学家维克托·韦谢拉戈（VictorVeselago）灵光一现，设想了一种能够颠覆光学世界的物质：它能够使光波看起来如同倒流一般，而且在许多方面表现得有违常理。由这种物质制成的全新类型的透镜几乎拥有不可思议的特性，这些特性将使它胜过以往的任何一种已知的透镜。问题的关键在于：这种物质必须拥有负折射率（“折射”描述了波在进入或离开这种物质时，它的传播方向发生改变的程度）。所有已知的物质都拥有正折射率。经过多年苦苦寻觅，韦谢拉戈没能找到任何物质可以满足他所追求的性质，他的猜想也就渐渐被人淡忘了。 最近的一项惊人进展，使韦谢拉戈的想法再度复苏。大多数物质的电磁属性，都直接起源于构成这种物质的原子和分子的性质。这些原子分子的性质取值范围有限，因此我们所知的上百万种物质都只能展示出有限的电磁特性。不过在20世纪90年代中期，在与英国马可尼材料技术公司的科学家的通力合作之下，本文作者彭德里意识到，除了由一块单一物质直接构成以外，“材料”还可以拥有其他细微结构。换句话说，材料的电磁特性可以从这些小结构中获得，这些小结构合力产生了原本不可能出现的效应。 马可尼的研究小组开始制造这些所谓的“超材料”（metamaterials），并且证明几种材料散射电磁波的方式，不同于任何已知的物质。2000年，本文作者史密斯和美国加利福尼亚州大学圣迭戈分校（UniversityofCalifornia,SanDiego，缩写为U.C.S.D.）的同事一起，发现了一种超材料的排列组合——能够提供令人困惑的负折射率。 光在负折射物质中的行为非常怪异，以至于理论学家实际上已经改写了电磁学的相关内容——当然这个过程也免不了一些激烈的争论：这样的物质是否真实存在。与此同时，实验学家正在努力研发技术，以便利用超材料的古怪性质：例如超透镜（superlen）将能生成比所用光波的波长更加精细的图像，这个特点将使微型电路的光刻技术（opticallithography）很好地延伸到纳米尺度，还能让光盘存储更加海量的数据。要将这些前景变为现实，还需要进行更多研究，不过现在，韦谢拉戈的梦想终于实现了，我们正在大踏步地前进。 神奇的负折射 为了理解负折射是如何产生的，我们必须了解物质影响电磁波的过程。当电磁波（例如一束光线）穿越某种物质时，构成这种物质的原子或分子内部的电子，就会在力的作用下发生相应的移动。这种运动消耗了电磁波的一部分能量，影响了它的性质和传播方式。通过调整物质的化学构成，科学家就能对它传导电磁波的特性加以微调，实现特殊的用途。 不过，正如超材料所证明的那样，化学方法并不是开发某种材料，使它具备某种有趣的电磁响应特性的唯一途径。我们还可以制造微小但却宏观的结构，以此来设计电磁响应特性。这种方法之所以成为可能，是因为典型的电磁波波长——也就是电磁波完成一个周期变化所传播的特征距离，往往比构成这种物质的原子或分子大了好几个量级。电磁波“看见”的不是单个分子，而是数百万个分子的整体响应。在超材料之中，它的构成单元也远小于波长，因此电磁波也无法单独看见这些单元。在电磁波的眼中，这些构成单元和真正的分子或原子没有区别。 顾名思义，它既包含电场，也包含磁场。每一种场都会使物质中的电子产生一种特征运动——电场对应于电子的前后移动，而磁场则对应于电子的圆周运动。两个物理参数分别定量地描述了物质中这两种响应的强度：介电常数ε描绘了电子对电场的反应强弱；磁导率μ则代表了电子对磁场的反应程度。对于大多数物质而言，ε和μ都是正的。 物质的折射率n是光学响应的另一项重要指标。折射率与ε和μ存在一个简单的运算关系：n=±√εμ。对所有已知的物质来说，平方根前面必须取正号；因此，折射率就是正数。不过韦谢拉戈在1968年证明，如果ε和μ同时为负，那么n也必须加上负号。这样，ε和μ同时为负值的物质，就成了一种负折射率物质。 负ε和负μ意味着，电子在这种物质中的移动方向，与电场和磁场施加的作用力方向相反。虽然这样的行为看似荒谬，但要让电子逆着电磁场施加的“推力”而动，其实是一件相当简单的事情。 想象一个秋千：给它施加一个缓慢而又稳定的推力，秋千就会顺从地朝着推力的方向移动——不过它并不会摆得很高。一旦秋千运动起来，它会趋向以一个特定的频率来回摆动，这个频率在科学上被称为共振频率。周期性地推动秋千，并且与它的摆动保持同步，秋千就会越荡越高。现在，尝试用更快的频率来推动秋千，推力就会与秋千的运动脱离同步、失去协调——在某个位置，也许你的手臂正要伸出，秋千就已经反冲了回来。假如你之前已经推了好一阵子，那么秋千也许就具备了将你撞倒的足够动量，现在就是它反过来推你了。根据同样的方式，在拥有负折射率的物质之中，作为秋千的电子也会与电磁场所施加的“推力”脱离同步，逆着它们的方向而动。 超材料 共振——以某一特定频率发生振荡的趋势，是实现这种负响应的关键。通过构建小型电路，使它们能够模拟物质中发生的电磁响应，共振就被人为引入到超材料之中。例如，在一个开口金属谐振环（split-ringresonator，缩写为SRR）中，从金属环中穿过的磁通量就会在环上产生旋转电流，这跟磁场在物质中产生的效果类似[参见后面的插图]。另一方面，在一个由直金属棒构成的阵列中，电场就会产生前后流动的电流。 如果不施加任何作用，电子会在这些电路中自然而然地以某个共振频率往复移动，这个频率的数值取决于这些电路的结构和大小。对它们施加一个变化频率低于共振频率的场，就会得到一个标准的正响应。然而，只要变化频率高于共振频率，响应就会变成负值——就像推动的频率快过共振频率，秋千就会反推回来一样。这样，金属棒就能在某个频率范围之内提供拥有负ε的电响应，而谐振环也可以在同样的频段内提供拥有负μ的磁响应。这些金属棒和谐振环，正是构建多种有趣超材料所必需的建筑原料。这些超材料之中就包括了韦谢拉戈苦苦寻觅而未果的那种物质。 2000年，U.C.S.D.的科研团队所做的实验给出了第一项实验证据，证明拥有负折射率的物质是可以存在的。超材料所要满足的最苛刻条件就是，基础元件必须远小于电磁波的波长，因此该团队在实验中采用了微波。微波的波长为几个厘米，因此超材料基础元件的大小可达几个毫米——这是一个容易做到的尺寸。 这个团队设计了一种超材料，它由金属棒和谐振环交织而成，构成了一个棱镜的形状。金属棒提供了负ε，谐振环提供了负μ。他们推测，两者结合应该能够产生负折射率。为了进行比较，他们还用特富龙（Teflon聚四氟乙烯）制作了形状相同的棱镜，这种物质的折射率是正的，数值为n=1.4。研究人员将一束微波照射到棱镜表面，然后测量了透射过来的微波在不同角度上的强弱变化。正如他们所料，微波束在特富龙棱镜中发生了正折射，而在超材料棱镜中却发生了负折射。韦谢拉戈的推测现在成为现实：拥有负折射率的物质终于诞生了。 事实果真如此吗？ 是真是假？ U.C.S.D.的实验，连同物理学家针对负折射物质所做的惊人新预言，立即引起了其他研究人员的极大兴趣。在韦谢拉戈提出设想的时候，超材料还没有问世，科学界并没有仔细审视负折射的概念。现在，超材料的出现，使这种理论所暗示的疯狂念头有了实现的可能，人们也对此投入了更多的关注。怀疑论者开始质疑，负折射物质究竟有没有违背物理学的基本规律？如果违背的话，这项研究的整个过程都将毫无意义。 ||| “超材料”的奇异光学性质曾经引发许多争议，利用这种材料建造的超透镜所能生成的图像，将比所用光波的波长更加精细。 大约在40年前，俄罗斯科学家维克托·韦谢拉戈（VictorVeselago）灵光一现，设想了一种能够颠覆光学世界的物质：它能够使光波看起来如同倒流一般，而且在许多方面表现得有违常理。由这种物质制成的全新类型的透镜几乎拥有不可思议的特性，这些特性将使它胜过以往的任何一种已知的透镜。问题的关键在于：这种物质必须拥有负折射率（“折射”描述了波在进入或离开这种物质时，它的传播方向发生改变的程度）。所有已知的物质都拥有正折射率。经过多年苦苦寻觅，韦谢拉戈没能找到任何物质可以满足他所追求的性质，他的猜想也就渐渐被人淡忘了。 最近的一项惊人进展，使韦谢拉戈的想法再度复苏。大多数物质的电磁属性，都直接起源于构成这种物质的原子和分子的性质。这些原子分子的性质取值范围有限，因此我们所知的上百万种物质都只能展示出有限的电磁特性。不过在20世纪90年代中期，在与英国马可尼材料技术公司的科学家的通力合作之下，本文作者彭德里意识到，除了由一块单一物质直接构成以外，“材料”还可以拥有其他细微结构。换句话说，材料的电磁特性可以从这些小结构中获得，这些小结构合力产生了原本不可能出现的效应。 马可尼的研究小组开始制造这些所谓的“超材料”（metamaterials），并且证明几种材料散射电磁波的方式，不同于任何已知的物质。2000年，本文作者史密斯和美国加利福尼亚州大学圣迭戈分校（UniversityofCalifornia,SanDiego，缩写为U.C.S.D.）的同事一起，发现了一种超材料的排列组合——能够提供令人困惑的负折射率。 光在负折射物质中的行为非常怪异，以至于理论学家实际上已经改写了电磁学的相关内容——当然这个过程也免不了一些激烈的争论：这样的物质是否真实存在。与此同时，实验学家正在努力研发技术，以便利用超材料的古怪性质：例如超透镜（superlen）将能生成比所用光波的波长更加精细的图像，这个特点将使微型电路的光刻技术（opticallithography）很好地延伸到纳米尺度，还能让光盘存储更加海量的数据。要将这些前景变为现实，还需要进行更多研究，不过现在，韦谢拉戈的梦想终于实现了，我们正在大踏步地前进。 神奇的负折射 为了理解负折射是如何产生的，我们必须了解物质影响电磁波的过程。当电磁波（例如一束光线）穿越某种物质时，构成这种物质的原子或分子内部的电子，就会在力的作用下发生相应的移动。这种运动消耗了电磁波的一部分能量，影响了它的性质和传播方式。通过调整物质的化学构成，科学家就能对它传导电磁波的特性加以微调，实现特殊的用途。 不过，正如超材料所证明的那样，化学方法并不是开发某种材料，使它具备某种有趣的电磁响应特性的唯一途径。我们还可以制造微小但却宏观的结构，以此来设计电磁响应特性。这种方法之所以成为可能，是因为典型的电磁波波长——也就是电磁波完成一个周期变化所传播的特征距离，往往比构成这种物质的原子或分子大了好几个量级。电磁波“看见”的不是单个分子，而是数百万个分子的整体响应。在超材料之中，它的构成单元也远小于波长，因此电磁波也无法单独看见这些单元。在电磁波的眼中，这些构成单元和真正的分子或原子没有区别。 顾名思义，它既包含电场，也包含磁场。每一种场都会使物质中的电子产生一种特征运动——电场对应于电子的前后移动，而磁场则对应于电子的圆周运动。两个物理参数分别定量地描述了物质中这两种响应的强度：介电常数ε描绘了电子对电场的反应强弱；磁导率μ则代表了电子对磁场的反应程度。对于大多数物质而言，ε和μ都是正的。 物质的折射率n是光学响应的另一项重要指标。折射率与ε和μ存在一个简单的运算关系：n=±√εμ。对所有已知的物质来说，平方根前面必须取正号；因此，折射率就是正数。不过韦谢拉戈在1968年证明，如果ε和μ同时为负，那么n也必须加上负号。这样，ε和μ同时为负值的物质，就成了一种负折射率物质。 负ε和负μ意味着，电子在这种物质中的移动方向，与电场和磁场施加的作用力方向相反。虽然这样的行为看似荒谬，但要让电子逆着电磁场施加的“推力”而动，其实是一件相当简单的事情。 想象一个秋千：给它施加一个缓慢而又稳定的推力，秋千就会顺从地朝着推力的方向移动——不过它并不会摆得很高。一旦秋千运动起来，它会趋向以一个特定的频率来回摆动，这个频率在科学上被称为共振频率。周期性地推动秋千，并且与它的摆动保持同步，秋千就会越荡越高。现在，尝试用更快的频率来推动秋千，推力就会与秋千的运动脱离同步、失去协调——在某个位置，也许你的手臂正要伸出，秋千就已经反冲了回来。假如你之前已经推了好一阵子，那么秋千也许就具备了将你撞倒的足够动量，现在就是它反过来推你了。根据同样的方式，在拥有负折射率的物质之中，作为秋千的电子也会与电磁场所施加的“推力”脱离同步，逆着它们的方向而动。 超材料 共振——以某一特定频率发生振荡的趋势，是实现这种负响应的关键。通过构建小型电路，使它们能够模拟物质中发生的电磁响应，共振就被人为引入到超材料之中。例如，在一个开口金属谐振环（split-ringresonator，缩写为SRR）中，从金属环中穿过的磁通量就会在环上产生旋转电流，这跟磁场在物质中产生的效果类似[参见后面的插图]。另一方面，在一个由直金属棒构成的阵列中，电场就会产生前后流动的电流。 如果不施加任何作用，电子会在这些电路中自然而然地以某个共振频率往复移动，这个频率的数值取决于这些电路的结构和大小。对它们施加一个变化频率低于共振频率的场，就会得到一个标准的正响应。然而，只要变化频率高于共振频率，响应就会变成负值——就像推动的频率快过共振频率，秋千就会反推回来一样。这样，金属棒就能在某个频率范围之内提供拥有负ε的电响应，而谐振环也可以在同样的频段内提供拥有负μ的磁响应。这些金属棒和谐振环，正是构建多种有趣超材料所必需的建筑原料。这些超材料之中就包括了韦谢拉戈苦苦寻觅而未果的那种物质。 2000年，U.C.S.D.的科研团队所做的实验给出了第一项实验证据，证明拥有负折射率的物质是可以存在的。超材料所要满足的最苛刻条件就是，基础元件必须远小于电磁波的波长，因此该团队在实验中采用了微波。微波的波长为几个厘米，因此超材料基础元件的大小可达几个毫米——这是一个容易做到的尺寸。 这个团队设计了一种超材料，它由金属棒和谐振环交织而成，构成了一个棱镜的形状。金属棒提供了负ε，谐振环提供了负μ。他们推测，两者结合应该能够产生负折射率。为了进行比较，他们还用特富龙（Teflon聚四氟乙烯）制作了形状相同的棱镜，这种物质的折射率是正的，数值为n=1.4。研究人员将一束微波照射到棱镜表面，然后测量了透射过来的微波在不同角度上的强弱变化。正如他们所料，微波束在特富龙棱镜中发生了正折射，而在超材料棱镜中却发生了负折射。韦谢拉戈的推测现在成为现实：拥有负折射率的物质终于诞生了。 事实果真如此吗？ 是真是假？ U.C.S.D.的实验，连同物理学家针对负折射物质所做的惊人新预言，立即引起了其他研究人员的极大兴趣。在韦谢拉戈提出设想的时候，超材料还没有问世，科学界并没有仔细审视负折射的概念。现在，超材料的出现，使这种理论所暗示的疯狂念头有了实现的可能，人们也对此投入了更多的关注。怀疑论者开始质疑，负折射物质究竟有没有违背物理学的基本规律？如果违背的话，这项研究的整个过程都将毫无意义。 ||| 最激烈的争论之一，集中在我们对复杂物质中波速的理解上。光在真空中传播的速度最快，达到了每秒30万米。这个速度用符号c来表示。不过，光在物质中的传播速度，需要除以一个折射率因子——也就是说，速度v=c/n。可是，假如n是负值又会如何呢？这个公式对光速所做的简单解释暗示，光会逆向传播。 要做出更加完整的回答，我们就必须对波的两种速度——相速度（phasevelocity）和群速度（groupvelocity）有所认识。为了理解这两种速度，请设想一个在物质中传播的光脉冲。这个脉冲看起来就像第73页的最后一张插图所演示的那样：波的脉动在这个脉冲的中心达到最大值，然后再逐渐平息下来。相速度就是单个脉动传播的速度。群速度则是整个脉冲波形移动的速度。两种速度并不一定非要相同。 在负折射物质中，正如韦谢拉戈已经发现的，群速度和相速度的方向相反。令人吃惊的是，即使在脉冲波形整体向前移动的时候，脉冲中的单个脉动也会向后传播。对于一束连续的光波，例如一个完全浸没在负折射物质中的手电筒发出的光线来说，这个事实同样会产生令人惊异的结果。如果你能够看见光波中的单个脉动，你会发现它们从光束射中的物体上出现，沿着光束逆向传播，最终消失在手电筒中，仿佛在看一部倒带的电影一样。不过，光束携带的能量还是跟人们的预期一样，从手电筒中发出，然后向前传播。这才是光束实际传播的方向，尽管其中的脉动正在惊人地倒退。 实际上，研究光波中的单个脉动并非易事，光脉冲的细节也相当复杂，因此物理学家经常使用一个巧妙的技巧，来演示群速度和相速度的差异。如果我们将同向传播的两束不同的波叠加起来，它们就会发生干涉，形成拍频波形图（beatpattern）。这些拍的传播速度就相当于群速度［译注：频率不同的波叠加在一起，就会产生高低不平的波峰。如果将它们转换成声音，听起来就像有规律的节拍。因此，叠加之后的波形图就被称为拍频波形。 2002年，美国得克萨斯大学奥斯汀分校的普拉山特·M·瓦伦尤（PrashantM.Valanju）及其同事，将这个概念应用到了U.C.S.D.的实验之中。当两束波长不同的波在正、负折射物质的分界面上发生折射时，它们偏折的角度略有不同。由此产生的拍频波形图并不遵从负折射光束的规律，反而呈现出正折射的特点。得克萨斯大学的研究人员将频拍波形图等同于群速度，因此得出了这样的结论：任何物理上真实存在的波，都将只能经历正折射过程。尽管拥有负折射率的物质能够存在，但负折射现象却是不可能发生的。 假设得克萨斯大学的物理学家的发现是正确的，那么U.C.S.D.实验的结果又该如何解释呢？瓦伦尤和许多其他的研究人员将这种表面上的负折射归因于其他的多种现象。也许是这种样品确实吸收了太多能量，以至于微波只能从棱镜狭窄的一侧渗透过去，产生了微波发生了负折射的假象？毕竟，U.C.S.D.的实验样品会产生严重的吸收，测量也不是在非常远离棱镜表面的地方进行的，这些因素使上述吸收理论成了一种可能的解释。 这个结论引起了极大的关注，因为它们不仅可能推翻U.C.S.D.实验的结果，还可能使韦谢拉戈预言的所有现象都失去意义。不过，在经过了一番思考之后，我们意识到，他们将拍频波形图视为群速度的指标，这种做法其实是错误的。我们得出结论：对于传播方向不一致的两列波来说，它们所产生的干涉波形图实际上与群速度无关。 批评者的论据开始崩溃，进一步证实负折射的实验也接踵而至。波音鬼怪工程部（俗称“幽灵工厂”，位于美国西雅图）米纳斯·塔涅利安（MinasTanielian）的研究小组利用一种吸收率极低的超材料棱镜重复了U.C.S.D.的实验。波音小组还将探测器安置在距离棱镜很远的地方，从而排除了超材料吸收产生负折射假象的可能性。波音和其他小组取得的数据，以值得推崇的质量，为关于负折射真实性的任何残存疑虑画下了句号。尽管这种新材料的微妙之处仍然困扰着我们，不过现在我们终于可以无拘无束地前行，大胆开拓这片全新的领域了。 超越韦谢拉戈 论战的硝烟散尽之后，我们开始意识到，韦谢拉戈之前讲述的非凡故事并没有完全概括光在负折射物质中的行为方式。当时他使用的关键方法之一，是光路分析法（raytracing）——通过描绘光线应该遵循的路线，这种方法可以分析光在不同物质的介面上发生的反射和折射。 光路分析法是一项威力强大的技术，能够帮助我们理解诸多问题，例如，为什么游泳池中的物体看起来会比实际情况更加靠近水面、为什么半淹在水里的铅笔似乎是弯的等。这些现象产生的原因在于，水的折射率（n约等于1.3）大于空气的折射率，光束在空气和水的交界面上发生了偏折。折射率大约等于真实深度和表现深度之比。 光路分析法还暗示，在一个负折射泳池中游泳的孩子，看起来会像悬浮在水面上方一样（这倒是一种颇具价值的安全保障！）。泳池内的所有东西，包括池壁在内，似乎都会出现在水面以上。 韦谢拉戈利用光路分析法预言，折射率n=–1的负折射物质构成的一块平板，将成为一个拥有空前性质的透镜。大部分读者所熟悉的透镜都拥有正折射率，例如相机、放大镜、显微镜和望远镜中所用的镜片都是如此。它们有一个焦距，焦距和物—镜间距的组合决定了透镜成像的位置。这个图像的大小通常与实物不同，透镜对其光轴附近的物体成像效果最佳。韦谢拉戈透镜的工作原理却与那些透镜截然不同（参见下面的插图）：它要简单得多，只对邻近的物体发挥作用，它可以将整个光场从透镜的一侧传输到另一侧。 韦谢拉戈透镜如此不同寻常，以至于彭德里不得不问：它的表现究竟能有多完美？特别是，韦谢拉戈透镜的终极分辨率会是多少？正折射光学元件受到了衍射极限的约束，所能分辨的细节必须大于或等于从物体上反射回来的光波波长。衍射为所有的成像系统设下了最终的限制，举例来说，它决定了显微镜能够看到的最小物体，也决定了望远镜可以分辨的、两颗恒星之间的最近距离。在微芯片工业中，衍射还决定了光刻技术所能制造的最小结构。与此类似，衍射还限制了数字视盘（DVD）在光学上所能存储或检索的信息总量。一种绕开衍射极限的方法将会彻底变革光学技术，使光刻技术很好地延伸到纳米尺度，也许还会使光盘的数据存储量提高上百倍。 为了确定负折射光学元件能否胜过正折射器件，我们必须寻求光路分析法以外的其他技术。那种方法忽略了衍射，因此无法用来预言负折射透镜的分辨率。为了将衍射包含在内，我们不得不使用一种更加精确的方法，对电磁场加以描述。 超透镜 在更加精确的描述中，电磁波的所有来源——不论是发光的原子、无线电天线，还是从小孔中透射而出的一束光线——都会产生两种截然不同的电磁场：远场（farfield）和近场（nearfield）。顾名思义，远场能够辐射到远离物体的地方，并被透镜俘获形成图像。不幸的是，它只包含物体的粗略影像，衍射使分辨率受到光波波长的限制。另一方面，近场包含了物体所有最精细的细节，但其强度会随距离急速下降。捕捉极其微弱的近场，并将它转换为图像，这样的能力对正折射透镜来说遥不可及。不过，负折射透镜对此却并非无能为力。 彭德里对韦谢拉戈透镜与近场和远场发生相互作用的方式进行了细致的研究，据此，他在2000年得出结论：从理论上讲，这种透镜可以同时对近场和远场进行重新聚焦——这个结论令所有人大吃一惊。如果这个惊人的预言是正确的，那就意味着韦谢格拉透镜不会像所有已知的光学元件一样，受到衍射极限的约束。因此，这种负折射平板就被称为超透镜。 ||| 在随后的分析中，我们和其他研究人员发现，超透镜的分辨率受到了负折射物质品质的限制。最佳的成像性能不仅要求折射率n=–1，还要求ε=–1和μ=–1同时得到满足。如果达不到这种理想的要求，透镜的分辨能力就会急剧下降。同时满足这些条件，是一个非常严苛的要求。不过在2004年，加拿大多伦多大学的安东尼·格比克（AnthonyGrbic）和乔治·埃莱夫塞里亚德斯（GeorgeEleftheriades）从实验上证明，一种经过设计能够在无线电波段同时满足ε=–1和μ=–1超材料，的确可以分辨尺寸小于衍射极限的物体。他们的结果证明，超透镜是能够制造出来的——不过对于波长更小的可见光波段，超透镜的梦想能否成真呢？ 将超材料推广到光学波段，这种尝试将面临双重挑战。首先，由导电金属制成的超材料微型电路，例如金属棒和谐振环，必须缩小到纳米尺度，这样它们才能比可见光的波长（400到700纳米）更加微小；其次，更短的波长对应于更高的频率，在这种频率下，金属的导电性能会有所下降，因此会抑制超材料所依赖的共振。2005年，美国爱荷华州立大学的科斯塔斯·苏库利斯（CostasSoukoulis）和德国卡尔斯鲁厄大学的马丁·韦格纳（MartinWegener）从实验上证明，能够在波长小到1.5微米的电磁波中发挥作用的开口金属谐振环，是可以制成的。尽管这种磁场共振在这么小的波长中变得相当微弱，但有趣的超材料仍然能够制成。 不过，我们仍然无法制成一种能够在可见光波段满足μ=–1的物质。幸运的是，一种折衷方案也许是可行的。当物体与像之间的距离远小于波长时，只要我们满足了ε=–1的条件，就可以完全忽略μ的取值。就在去年，新西兰坎特伯雷大学的理查德·布莱基（RichardBlaikie）小组和美国加利福尼亚大学伯克利分校的张翔（XiangZhang）小组各自独立地按照这一处方，在一种光学系统中证明了超分辨率的存在。在可见光波段，金属的固有共振能够产生负介电常数。因此，对某个能使金属满足ε=–1的波长来说，极薄的一层金属就能起到超透镜的作用。布莱基和张翔都使用大约40纳米厚的银层，对波长为365纳米的光线进行了成像。这些光线从一些排列成特定形状的小孔中射出，小孔的直径小于光波波长。尽管薄银层远非理想的透镜，但银制超透镜已经大大提高了图像分辨率，证明了超透镜成像的基本原理。 面向未来 超透镜成像实验，只是负折射物质即将实现的众多预言中的最新一项——这是这片新兴领域中进展迅速的一个迹象。事实上，负折射的前景已经使物理学家重新检验了整个电磁学理论。一度认为早已被完全理解的基本光学现象（例如折射和衍射极限），现在已经在负折射物质中出现了意想不到的新变化。 将超材料和负折射物质的魔法转变成实用技术，仍然困难重重。那些步骤将包括更加完美地设计超材料，并将它们的生产成本控制在某个价格以下。现在，活跃在这一领域的多个研究团队，正不遗余力地应对这些挑战。 （译/张旭校/虞骏审/周济） 超透镜 颠覆光学常识 约翰·Ｂ·彭德里 戴维·Ｒ·史密斯 上一页12 下一页
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