超表面和零折射率材料复合的超薄“隐身斗篷”- 大数跨境

两江科技评论

2018-08-17

导读：最近，原苏州大学、现南京大学的赖耘教授、复旦大学孙树林副教授和苏州大学杭志宏教授，首次提出将透明超表面材料和零折射率材料相结合，研制出一种复合型“隐身斗篷”，这一方法可同时适用于反射式和透射式隐身，大

导读

最近，原苏州大学、现南京大学的赖耘教授、复旦大学孙树林副教授和苏州大学杭志宏教授，首次提出将透明超表面（Transparent Metasurface）材料和零折射率材料（Zero-Index Materials）相结合，研制出一种复合型“隐身斗篷”（hybrid invisibility cloak），这一方法可同时适用于反射式和透射式隐身，大大降低了隐身斗篷的厚度和复杂性。相关工作以“A hybrid invisibility cloak based on integration of transparent metasurfaces and zero-index materials”为题，于8月15日发表在《Light: Science & Applications》期刊上。

背景介绍

很多人在看《哈利·波特》的时候，都梦想自己也有一件神奇的隐身斗篷（cloak）；但现实中不存在魔法，常规材料是不可能实现隐身效果的。隐身斗篷这个有趣的概念在过去的十年里激起了人们极大的研究热情，科学家一直致力于在现实世界中实现隐身技术。

哈利波特的隐身衣

图片来源：http://image.so.com/v

隐身斗篷最为关键的技术是材料的设计，人们可以利用特殊材料对光线的折射或吸收达到隐身的目的，例如基于变换光学设计原理的超材料。但是，这种隐身斗篷通常体积非常庞大，材料参数的空间分布也十分复杂，不利于现实中的应用。最近，基于超表面（Metasurface）的隐身斗篷大大降低了外壳的厚度和复杂性，使得人类长久以来的隐身梦想逐渐接近现实。然而，这些方案都是基于反射型的超表面，受到反射几何（reflection geometry）的限制。

超表面是一种由特定平面型微结构组成的超薄超材料，可以灵活地调控电磁波的相位、振幅和极化。随着超表面的使用，隐身斗篷的厚度和复杂性大大降低。以往的研究表明，通过设计一种只有皮肤厚度的超表面结构，可以实现对反射光的波前调整，使得光线看上去是从一个“平面镜”上反射回来的假象，同样实现了隐身效果。然而，这种方法只适用于反射式隐身，而不能做到让物体在空间中“消失”的透射式隐身。

零折射率材料（Zero-Index Material，ZIM）是一种等效折射率为零的超材料，具有波的异常隧穿特性，可以将电磁波在“围绕着”隐身区域的路径上传播。这种现象已经在各种零折射率材料构成的弯曲通道中得到证明。然而，在自由空间中，倾斜入射的光波也因其零折射率特性而发生反射，使其失去了隐身功能。因此，为了开发零折射率材料在自由空间中的全部功能，需要一种全新的、有效的耦合机制来实现。

创新研究

在这项工作中，研究人员首次提出了将透明超表面材料与零折射率材料相结合的概念，将超表面的波前特征设计和零折射率材料的波动能量隧穿效应结合在一起，从理论设计和实验上制备了一种复合型隐身斗篷，真正利用了“自由空间”中的假象来实现物体的隐身，可同时适用于反射型和透射型隐身材料。

具体来说，他们构造了一个菱形双层隐身外壳，它是由高度透明的超表面以及具有狄拉克型色散关系的介电光子晶体构成的双零介质（double-zero medium）组成，并且通过微波实验展示了隐身效果。并且，他们不仅通过数值模拟证明斗篷的隐身效果，还验证了利用仅有皮肤厚度的隐身外壳来实现透射式隐身的可能性，避免了在现实世界中对空间参数调制的极端要求。他们的研究工作不仅展示了一种新的隐身原理（即复合隐身斗篷），还揭示了一种将超材料与超表面结合的新策略，为基于超表面和超材料的新型集成光学和电磁学器件的发展奠定了基础。

图文速览

图一 透射式隐身斗篷的原理示意图