工程超材料可以迷惑光和聲音，產生令人費解的行為

我們被波包圍著。 微小的振動波將聲音傳遞到我們的耳朵。光波刺激我們眼睛的視網膜。電磁波將無線電、電視和無盡的流媒體內容帶到我們的裝置上。 值得注意的是，所有這些不同的波都主要受相同的基本物理原理支配。最近，我們利用奈米級工程材料（稱為超材料）控制這些波的能力發生了革命性的變化。

希臘語字首meta的意思是“超越”。 這些工程材料使我們能夠超越波和物質相互作用的傳統方式，創造出光和聲音似乎不遵守傳統規則的技術。這種新型材料的標誌性例子是“隱形斗篷”——一種可以隱藏物體於眼前的超材料塗層。包括我的團隊在內的世界各地的一些研究團隊已經設計和生產出超材料塗層，可以重定向照射到它們的光波，有效地防止光線從物體上反射併到達我們的眼睛，甚至防止留下陰影。 儘管這些發明有侷限性——它們還不是許多人想象中的哈利·波特式隱形斗篷——但它們與光的相互作用方式仍然像魔法一樣。

隱形斗篷只是超材料技術的一個例子。其他超材料允許光單向傳播，但不能反向傳播——這對於通訊和物體探測來說是一種很有價值的工具——並且可以打破幾何和時間的對稱性。 憑藉現代納米制造工具和對光與物質相互作用的更好理解，我們現在可以構建超表面，以產生我們能想到的任何圖案、顏色和光學特徵。

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彎曲和扭曲光線

幾個世紀以來，科學家們一直在努力控制光和聲音與我們的感覺系統相互作用的特性。 這項探索的早期成功是彩色玻璃的發明：古羅馬人和埃及人學會了如何將金屬鹽熔入玻璃中以對其進行著色。分散在玻璃中的微小金屬奈米顆粒吸收特定波長並讓其他波長透過，從而在今天我們仍然欣賞的傑作中創造出鮮豔的色彩。 在 17 世紀，艾薩克·牛頓和羅伯特·胡克認識到，某些動物的色調和虹彩是由其身體部位表面的奈米級圖案產生的——這是奈米結構材料如何產生令人驚訝的光學效果的另一個例子。

人眼非常擅長檢測光的兩個基本屬性：強度（亮度）和波長——即顏色。 光的第三個重要屬性是偏振，它描述了光電磁場隨時間在空間中軌跡。 儘管人類的眼睛無法區分不同的偏振，但一些動物物種具有偏振敏感性，這使它們能夠看得更清楚、更好地確定自己在周圍環境中的方向並向其他生物發出訊號。

19 世紀後期，在詹姆斯·克拉克·麥克斯韋發現電磁學方程幾年後，賈格迪什·錢德拉·玻色構建了我們可以稱之為超材料的第一個例子。 透過手工扭曲黃麻纖維並將它們排列成規則的陣列，他證明了線偏振電磁波——其電場和磁場沿直線振盪的光——在傳播透過黃麻結構並與之相互作用時會旋轉其偏振。 玻色的扭曲黃麻表明，有可能設計出一種人造材料，以前所未有的方式控制光。

超材料的現代時代可以追溯到 2000 年，當時杜克大學的物理學家大衛·R·史密斯、加州大學聖地亞哥分校已故的謝爾頓·舒爾茨及其同事創造了一種前所未有的工程材料——一種具有負折射率的材料。 當一束光從一種介質傳播到另一種介質時——例如從空氣到玻璃——它的速度會發生變化，導致光束彎曲或“折射”。 兩種材料之間折射率的差異決定了彎曲的角度。

折射現象是大多數現代光學裝置（包括透鏡和顯示器）的基礎，並解釋了為什麼玻璃杯中的吸管看起來是斷裂的。 對於所有已知的天然材料，折射率都是正的，這意味著光線總是朝向介面的同一側彎曲，角度與介面的角度大小隨折射率的變化而變化。 相反，光線進入具有負折射率的介質會向後彎曲，從而產生意想不到的光學效果，例如吸管看起來會向錯誤的方向傾斜。 科學家們長期以來一直認為不可能找到或製造出支援負折射的材料，有些人認為這將違反基本的物理原理。 然而，當舒爾茨、史密斯及其同事將微小的銅環和金屬線組合在堆疊的電路板基板上時，他們證明了微波束透過這種工程材料會發生負折射。 這一引人注目的進展表明，超材料可以產生比自然界提供的更廣泛的折射率，為全新的技術可能性打開了大門。 從那時起，研究人員已經為包括可見光在內的各種頻率創造了負折射率材料。

隱身技術

在最初的突破之後，大量的超材料研究集中在隱身方面。 大約 20 年前，當我與賓夕法尼亞大學的納德·恩赫塔合作時，我們設計了一種超材料外殼，透過使從外殼反射的光波抵消從隱身物體散射的光波，從而使物體無法被探測到。 無論從哪個方向傳來，撞擊到該結構的光波都會被斗篷重定向，從而抵消物體本身散射的光波。 因此，透過外部照明無法探測到隱身物體：從電磁學的角度來看，它似乎不存在。

大約在同一時間，倫敦帝國學院的約翰·B·彭德里和現在以色列雷霍沃特魏茨曼科學研究所的烏爾夫·萊昂哈特提出了其他使用超材料來隱身物體的有趣方法。 在幾年之內，各種實驗演示將這些提議變成了現實。 例如，我的團隊製造了一種三維隱身斗篷，可以大大減少從圓柱體散射的無線電波量，從而使其難以透過雷達探測。 現有的隱身技術可以透過吸收入射波來隱藏物體免受雷達探測，但超材料隱身斗篷做得更好，因為它們不僅僅抑制反射波——它們還會重新引匯入射波以消除散射和陰影，使隱身物體無法探測。 我們和其他團隊已將隱身擴充套件到聲波（聲音），創造出無法被聲納裝置探測到的物體。 其他科學家甚至製造了用於熱波和地震波的隱身斗篷。

然而，從這些裝置到電影中描繪的隱形斗篷（允許物體的多波長背景透射）還有很長的路要走。 我們的現實生活中的隱身斗篷僅限於小尺寸或窄操作波長。 根本的挑戰是與因果律原則的競爭：沒有任何資訊可以比自由空間中的光速傳播得更快。 完全恢復背景電磁場，就好像它們在不減速的情況下穿過物體一樣，是不可能的。

基於這些原理，我的團隊已經證明，我們無法使用被動超材料塗層完全抑制來自物體的散射，且波長不能超過單個波長（單色光）。 即使我們只誘導部分透明度，我們也會面臨一個嚴峻的權衡，即隱身物體可以有多大以及我們可以為其隱身多少種顏色的光。 在可見波長下隱身大型物體仍然遙不可及，但我們可以將超材料隱身斗篷用於較小的物體和更長的波長，這為雷達、無線通訊和高保真感測器帶來了令人興奮的機會，這些感測器在執行時不會干擾周圍環境。 用於其他型別波（例如聲音）的隱身斗篷限制較少，因為這些波的傳播速度慢得多。

空間對稱性

對於設計和應用用於各種目的的超材料來說，一個特別強大的工具是對稱性的概念。 對稱性描述了物體在翻轉、旋轉或以其他方式變換時不會改變的方面。 它們在所有自然現象中都起著根本性的作用。 根據數學家艾米·諾特在 1915 年提出的定理，物理系統中的任何對稱性都會導致守恆定律。 一個例子是時間對稱性和能量守恆之間的聯絡：如果物理系統由不明確依賴於時間的定律描述，則其總能量必須守恆。 同樣，遵守空間對稱性的系統（例如在平移或旋轉下保持不變的週期性晶體）會保留光的某些特性，例如其偏振。 透過以受控方式打破對稱性，我們可以設計超材料來克服和區域性調整這些守恆定律，從而實現新型的光控制和變換形式。

作為對稱性在超材料設計中強大作用的一個例子，我的團隊設計了一種光學超材料，它可以有效地旋轉透過它的光的偏振——在某些方面，它是玻色扭曲黃麻裝置的奈米級版本。 該材料由多層薄玻璃製成，每層玻璃都嵌入了數十奈米長的金棒排。 首先，我們建立一個奈米棒層，所有奈米棒都沿玻璃上的特定方向排列。 然後我們堆疊第二層，它看起來與第一層相同，只是我們以特定角度旋轉了所有棒。 下一層裝飾有以相同角度進一步旋轉的奈米棒，依此類推。 總的來說，堆疊層只有大約一微米厚，但與天然週期性晶體相比，它具有特定程度的破缺空間對稱性，在天然週期性晶體中，分子都排列成直線。 當光線穿過這種薄的超材料時，它與金奈米棒相互作用，並因其表面的電子振盪而減速。 新出現的光與物質的相互作用受晶格扭曲對稱性的控制，從而可以在很寬的波長範圍內實現入射光偏振的大幅度旋轉。 這種形式的偏振控制可以使許多技術受益，例如液晶顯示器和製藥行業中使用的感測工具，這些技術依賴於偏振旋轉，而偏振旋轉通常在天然材料中效率較低。

潛在的旋轉對稱性在控制其他超材料響應方面也起著至關重要的作用。 麻省理工學院的帕勃羅·哈里羅-埃雷羅小組最近表明，兩層緊密間隔的石墨烯——每層只有一個原子層——相對於彼此以精確的角度小心旋轉，會導致超導性的驚人出現。 這種兩層單獨不具備的特性，允許電子以零電阻沿材料流動，這一切都是因為扭曲引起的對稱性破缺。 對於特定的旋轉角度，兩層中相鄰原子之間出現相互作用，從而定義了一種全新的電子響應。

受此演示的啟發，在 2020 年，我的團隊表明，對於電子而言，可以發生某種類似的現象，但對於光而言則不然。 我們使用堆疊的兩層薄三氧化鉬 (MoO₃)，並將其中一層相對於另一層旋轉。 單獨來看，每一層都是週期性晶格，其中底層分子以重複的模式排列。 當光進入這種材料時，它可以激發分子，導致它們振動。 當偏振方向與分子對齊時，某些波長的光會引發強烈的晶格振動——這種現象稱為聲子共振。 然而，具有相同波長和垂直偏振的光產生的光學響應要弱得多，因為它不會驅動這些振動。 我們可以利用光學響應中的這種強不對稱性，透過將一層相對於第二層旋轉。 扭曲角度再次以戲劇性的方式控制和修改雙層的光學響應，使其與單層的光學響應非常不同。

例如，放置在玻璃或銀等傳統材料表面上的分子發出的光以圓形波紋向外流動，就像石頭擊中池塘表面時一樣。 但是，當我們的兩個 MoO3 層堆疊在一起時，改變扭曲角度會大大改變光學響應。 對於晶格之間的特定扭曲角度，光被迫僅沿一個特定方向傳播，而不會以圓形波紋擴充套件——類似於光子的超導性。 這種現象開啟了建立超越傳統光學系統解析度限制的奈米級影像的可能性，因為它可以在不失真的情況下傳輸影像的亞波長細節，從而有效地引導光超越衍射的限制。 這些材料中的光與材料振動緊密相連，以至於兩者形成了一個準粒子——極化子——其中光和物質強烈地交織在一起，為量子技術提供了一個令人興奮的平臺。

時間對稱性

對稱性在超材料中的作用並不侷限於空間對稱性，例如幾何旋轉所破壞的那種。 當我們嘗試打破時間反演對稱性時，事情會變得更加有趣。

控制波動現象的方程通常在時間上是可逆的：如果波可以從 A 點傳播到 B 點，它也可以以相同的特徵從 B 點傳播回 A 點。 時間反演對稱性解釋了常見的期望，即如果我們能聽到或看到某人，他們也能聽到或看到我們。 打破波傳輸中的這種對稱性（稱為互易性）對於許多應用來說可能很重要。 例如，無線電波的非互易傳輸可以實現更高效的無線通訊，在無線通訊中，訊號可以同時傳送和接收而不會受到干擾，並且可以防止您傳送的訊號的反射造成汙染。 光的非互易性可以保護靈敏的雷射束源免受不必要的反射，並在雷達和雷射雷達技術中提供相同的好處。

打破這種基本對稱性的既定方法是利用磁現象。 當鐵氧體（一種具有磁性的非金屬材料）受到恆定磁場的作用時，其分子會維持微小的迴圈電流，這些電流以由磁場方向決定的手性旋轉。 反過來，這些微觀電流會引起一種稱為塞曼分裂的現象：右手圓偏振光波（電場順時針旋轉）與這些分子的相互作用能量與左手（逆時針）波的能量不同。 能量差異與施加的磁場成正比。 當線偏振波穿過磁化鐵氧體時，總體效果是旋轉偏振，在某些方面類似於前面討論的超材料。 根本的區別在於，這裡的偏振旋轉的手性是由外部磁偏置決定的，而不是由超材料成分中的對稱性破缺決定的。 因此，在這些磁化材料中，當光在一個方向上傳播時，其偏振旋轉與在相反方向上移動時的手性相同——這一特徵違反了互易性。 時間反演對稱性現在被打破了。

我們可以利用這種現象來設計只允許波在一個方向上傳播的器件。 然而，很少有天然材料具有實現這種效果所需的磁性，而那些具有磁性的材料可能難以整合到基於矽的現代器件和技術中。 近年來，超材料界一直在努力創造更有效的方法來打破波互易性，而無需磁性材料。

我的團隊已經表明，我們可以用超材料中機械旋轉的元件代替磁化鐵氧體中的微小迴圈電流。 我們在一個緊湊的聲學裝置中實現了這種效果，方法是使用小型計算機風扇在圓形鋁腔內旋轉空氣，從而建立了首個用於聲音的非互易裝置。 當我們開啟風扇時，腔體共振的頻率對於反向旋轉的聲波是不同的，類似於塞曼分裂如何改變鐵氧體中光相互作用的能量。 因此，旋轉腔體中的聲波根據其在其中順時針還是逆時針傳播而經歷非常不同的相互作用。

然後，我們可以透過該裝置以非互易方式（僅單向）路由聲波。 值得注意的是，產生這種效果所需的氣流速度比聲波速度慢數百倍，這使得這項技術非常容易開發。 這種緊湊的非互易器件隨後可以構成超材料的基礎，超材料由晶格中連線的這些元件製成。 這些工程晶格以高度不尋常的非互易方式傳輸聲音，讓人想起電子在拓撲絕緣體中以獨特特徵傳播的方式。

我們能否對光使用類似的技巧？ 2018 年，塔爾卡蒙小組在特拉維夫大學透過以千赫茲頻率旋轉耦合到光纖的硬碟驅動器的讀寫頭，展示了類似的效果，證明了光透過它的非互易傳輸。 研究人員的裝置表明，機械旋轉元件可用於迫使光僅沿一個方向穿過器件。 可以說更實用的方法是使用由隨時間變化的成分製成的超材料，這些成分以空間中的特定模式開啟和關閉，從而模擬旋轉。 基於這些原理，我的團隊創造了幾種技術，這些技術可以有效地作為非互易器件執行。 它們的小尺寸使我們能夠輕鬆地將它們整合到更大的電子系統中。

我們還將這些技術擴充套件到熱輻射，即由熱驅動的光輻射。 所有熱物體都會發光，並且稱為基爾霍夫熱輻射定律的普遍原理指出，處於平衡狀態的互易材料必須以相同的速率吸收和發射熱輻射。 這種對稱性為熱能管理和能量收集裝置（如太陽能電池）的裝置設計帶來了若干限制。 透過採用與前面描述的原理相似的設計原理來打破光的互易性，我們正在設想不遵守吸收和發射之間對稱性的系統。 我們可以構建超材料以有效地吸收熱量，而無需像普通材料那樣將一部分吸收的能量重新發射到源頭，從而提高我們可以收集的能量量。 應用於靜態力學，類似的原理也使我們能夠建立一個 3D 列印物體，該物體不對稱地傳遞施加的靜態機械力——一種單向手套，可以施加壓力而不會感覺到反作用力。

更多奇蹟

超材料和破缺對稱性在操縱和控制波方面提供的機會遠不止於此。 科學家們一直在發現迷惑光和聲音的新方法——例如，透過以新穎的方式結合破缺的幾何對稱性和時間對稱性。 超材料可以用於智慧建築的牆壁和窗戶，以隨意控制和路由電磁波。 奈米結構超表面可以將笨重的光學裝置縮小到比人類頭髮還細的器件中，從而增強成像、感測和能量收集技術。 聲學和機械超材料可以以前所未有的控制程度路由和控制聲音。 鑑於現代納米制造技術、我們對光與物質相互作用的改進理解以及複雜的材料科學和工程為我們提供的巨大機遇，我們期待著更多的奇蹟。