用超构材料操纵声波光波，南大团队研制“隐形斗篷”“隐形玻璃”

超构材料（Meta-material）指的是通过人工结构实现超常特性的一类新型材料，具有天然材料中所没有的光学、声学、机械或射频特性，有望成为一系列变革性技术的源头。近日，记者采访了南京大学物理学院赖耘教授团队，了解超构材料神奇的“驭波术”。

隐形斗篷的时空幻象：整体消失的障碍物

说到隐形斗篷，人们都会想到《哈利·波特》里的那件神奇的斗篷。其实，随着人工超构材料和变换光学理论的发展，隐形斗篷在科学上已经成为现实。但是，这种斗篷还无法做到电影里的隐身效果——因为它的工作带宽还不足以覆盖人眼的可见光频段。

如何突破传统隐形斗篷的窄带宽限制？科学家正为之努力。赖耘教授团队和香港大学Nicholas X. Fang教授团队进行合作，提出了一种原创的隐身方法，解决了传统隐形斗篷带宽狭窄的技术瓶颈，产生了独特的声学幻象——“空间消失”及“时间偏移”。

赖耘教授一直从事光学超构材料研究，在国际上率先提出了非包裹式隐身、幻象光学、光渗流等理论。他为记者科普道，所谓变换光学，其核心是通过调整介质的材料特性，以特定的方式引导光线。最早的隐身斗篷是如何产生的呢？其实是在物体周围放置了一些特殊设计的超构材料，让光线偏折、绕过物体，从而使该物体隐形。

这些神奇的超构材料是科学家们用纳米技术创造的微小结构，能够改变声波、光波等方向，但缺点是这种材料通常具有强烈的色散，导致其工作带宽很窄。如果纯粹基于几何光学来设计隐身斗篷，这显然并不适用于低频散射的情况，如声学隐身。

想象一个空间中存在物体，当声波在这个空间中传播时，物体不可避免地会造成散射，这不仅会导致声波的能量衰减，还使得声波的传播方向变得杂乱无章。通过散射波，可以探测到物体的存在与大小、位置等信息。如何避免这种探测，成为了声学中最关键的技术应用之一。

南京大学刘晨凯副研究员说，消除物体的散射有多种方法，除了采用隐形斗篷将物体等效为“自由空间”外，还可以干脆让包含物体的这部分空间消失，也就是实现一个“空间消失”的幻象。

赖耘介绍，研究人员创新性地采用了亚波长尺度的声学隧道作为超构材料的基本单元结构，并在隧道内部设计了一系列倒刺结构，这些特殊声学隧道的核心功能在于其对声速的任意操控能力，且能保持高效的传输效率，“无论频率如何变化，这种材料都能保持其卓越的声波传播和散射消除性能。”

当障碍物被精心设计的超构材料所覆盖时，入射声波可以沿这种特殊材料传播并绕过障碍物继续传播。当声程设计合理时，包含了障碍物的空间，对于声波而言，好像整体消失了一样。在这一过程中，原先由障碍物引起的杂乱声散射被有效地消除，声波的传输质量得到了显著提升。

这项研究在理论上具有重大意义，为超带宽隐形和声场调控等实际应用开辟了新的设计方向。记者了解到，目前团队设计的样品正在进行水下测试，未来该器件在声波通信、声学隐身、噪声控制等多个领域都具有广泛的应用前景。“让物体在更宽的频率范围内被‘隐形’，目前主要是用于声波的波段，未来也会在可见光的领域进行探索。”赖耘说。

玻璃的伪装术：看似粗糙墙面的透明玻璃

一辆汽车从外部看起来全是金属外壳没有窗户，但驾驶员却可以毫无阻碍地看到车窗外的清晰景象；一个房子从外面看起来四面都是墙壁，但房间内的人向外眺望时墙壁却好像是透明玻璃一样……要实现上述科幻般的场景，需要一种特殊的光学材料。

4月8日，赖耘教授就携带着这样一块透明哑光玻璃，参加日内瓦国际发明展，他告诉记者，这块玻璃，不仅拥有类似粗糙物体的哑光外貌，还能保持完美透明，这也是团队正在尝试产业化的一个项目。

透明性与哑光外貌形成了一对矛盾的光学属性，这个难题自古以来一直未获解决。赖耘表示，传统的光学材料中，并不存在既透明又哑光的材料。“透明玻璃的表面，一定是光滑的，但同时会伴随着镜像与眩光。”赖耘说，现实生活中，无论是手机屏幕，还是玻璃车窗，都会产生一定的反射眩光，给生活带来大大小小的烦恼。如果将玻璃表面粗糙化，的确可以消除镜像与眩光，实现哑光外貌。但是，其透明性也会大幅降低，让透射的景象变得模糊，即透明玻璃变成了毛玻璃。

传统光学中产生漫散射的方法，无论是粗糙表面，还是无序介质，都不可避免地破坏了系统的透明性。赖耘介绍，面对这一困境，超构表面技术，利用微米级别的结构设计来控制光的相位和振幅，可以实现对光的精细操控，“我们通过超构表面技术，实现了一种极端不对称、集中在背向的漫散射，从而解决哑光外貌与透明性之间的矛盾。”2021年，团队设计了无序翻转超表面，首次成功地将漫反射与透射清晰成像的功能在超表面中完美融合。

然而，这种无序翻转超表面的最小特征尺寸约为100纳米，难以加工出宏观尺寸的样品，这将大大限制该技术的实际应用。于是，团队又花费了3年左右的时间，首次基于成熟的工业级步进式光刻技术，在玻璃表面加工了直径为10厘米的宏观尺寸超表面，不仅可以在整个可见光波段保持完美透明性，还展现出如粗糙物体表面一般的哑光外貌。该研究成果去年已发表在国际重要期刊《科学进展》上。

赖耘介绍，这类新型的光学材料在隐形、成像和显示等领域有广泛的应用前景，有望实现一系列前所未有的新应用。比如，通过漫反射可以去除玻璃表面的镜面倒影与眩光，不仅显著改善显示屏幕和橱窗的视觉体验，还大大减少了城市的光污染；通过设计彩色哑光外观的玻璃，可以更自由地设计车辆、房屋的外观，实现“无窗”却可透视的科幻场景；通过将玻璃“伪装”成不透明材料，可以赋予监控设备“隐形”的能力；通过投影等方式，还可以实现大面积动态高清透明显示，推动增强现实等未来科技的发展。

记者 杨频萍