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讓科幻概念成為事實 隱形元件研究初露曙光

上網時間: 2006年11月10日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:隱形  隱形斗篷  cloak of invisibility  介電率  導磁率 

隱形斗篷?它聽起來就像是漫畫書中超級英雄的必備品。事實上,各種不同類型的電磁輻射(甚至可見光)隱形斗篷都是美國杜克大學博士後研究員David Schurig認為指日可待的新產物。Turig以及指導Schurig研究的杜克大學David Smith教授和倫敦帝國理工學院的John Pendry堅信,在2007年底,超物質(metamaterial)將可使隱形斗篷能在微波範圍內運作;而未來進一步的努力目標則將針對其它類型的光線開發這樣的斗篷。

超物質、或是經過工程處理的複合物,主要是在一個巨大的類晶體晶格中以可見物質代替原子,因而使被動元件陣列的間距足以設定受影響的波長。這些被動元件陣列的設計讓我們想起了最初的電子學原理,即簡單的電阻-電容-電感(R-C-L)電路。在開放空間中,通過微型電阻、電容、電感陣列和其他介電物質的電磁波可被彎曲並沿著設計人員所指定的路線前進。

2000年,當時仍在加州大學工作的David Smith與其同事展示了一種複合物超物質,該物質採用內建的被動諧振器把微波向後彎曲。Smith的研究團隊所用的電路元件是以倫敦帝國理工學院的Pendry與其同事所提供的理論分析為基礎。

David Schurig近日與《EE Times》的技術編輯羅克鈴暢談了隱形元件的運作原理,以及電子工程師該如何做,才能將這個科幻概念變成事實。

EE Times:隱形的概念起源於何處?

David Schurig:隱形概念最早來自於John Pendry和Andrew Ward在1996年的一篇論文。在有限元素分析的網格分割商業化軟體具備易用性之前,他們試圖將複雜的幾何形狀轉換成較簡單的幾何圖形,以簡化有限元素程式的模擬分析。就在去年,Pendry發現他和Ward在這些虛構空間中所用的物質特性已經可以具體實現了,而這都得歸功於新興的超物質。

EE Times:因此在1996到2006年的十年之間,就實現了從Pendry的學術論文到與杜克大學David Smith教授合作的隱形元件研究嗎?

Schurig:是的。Pendry想像在這個奇異空間中可以任意彎曲或扭轉,甚至還存在著一些可以藏東西的洞。他的新理論告訴我們如何在正常空間中建構出與在虛構空間一樣行為方式的物質。

EE Times:那麼電子工程師應該如何想像這種轉換?

Schurig:他們可以想像一塊中間有洞的紡織布料,而這個洞的形成是透過將一尖銳物體穿過其中的紡織線頭,但不撕破它們。而這個洞就是可以在二度空間中隱藏東西的地方。電磁場被侷限於沿著這些線頭移動,但卻無法接觸到隱藏在洞裡的任何東西。

當然,其訣竅便是要找出一種物質的特性,它可使沒有洞的正常空間,表現出好像有洞一樣。為達此目的,你可以採取數學描述的方式,解釋這些變形扭曲的線頭與正常織布間所存在的差異。事實上,這就是座標的轉換。接著你會問,就像在此座標變換的例子一樣,是否也可以為Maxwell方程組找到一組相同形式的物質特性?這些物質特性可使電磁場在我們熟知的平面、無洞空間中,表現出像在扭曲空間中一樣有趣的行為模式。

EE Times:Maxwell的四個微分方程式概括了電磁場的所有特性。因此,我猜想你們在去年一定學習到如何轉換使其可處理異形空間吧?

Schurig:Pendry自己做了第一組轉換,接著開始與David Smith和我共同討論,而我們也都認為這是相當有趣的;所以我們開始進行更多的轉換。其後我寫了一些射線追蹤程式,以便分別證實這些事情的確如同理論所假設的方式呈現;最後當然所有的一切都得到了證明。

從那時起,杜克大學的另一個教授Steve Cummer採用了Maxwell方程式解算器完成了全波形模擬。那一切都相當順利地實現了預定目標,這使我們非常驚訝,因為光線會繞過一個物體,而且仍存在於另一側的相位中,你或許認為它應該會超過光速。

EE Times:我曾經讀過那部份的內容。光線繞著隱形區域的外側所行進的距離比一般時候更長,而且根據以光速行進的定義來看,額外的距離也許意味著它甚至必須行進得更快,以便能與周圍的光線保持同步。但是它實際上並未能比光速傳輸能量更快。因此,它實際上只使用了穩定狀態積累的能量,以使一個特定頻率相峰超過光速,對不對?

Schurig:是的。你的準備工作做得不錯。你相當理解散射和相對論,一切也就是這麼一回事。但它不像聽起來的這麼難。請記住,把東西藏起來讓人眼看不見比讓一個光譜儀看不見更為容易。人眼只能看到紅綠藍三個波段,而且有各種花招可以矇騙過人眼。最簡單的方式就是當環境是單色時,如叢林中的一切都籠罩在一片綠光的環境下,那麼你就可以隱形得很好,即使你的隱形只用有限的頻寬。

EE Times:這些超物質只適合工作在像微波一樣較長的波長嗎?超物質現在能否用於可見光區域?

Schurig:這些超物質目前還不能用於可見光;可能還要再等10年。但從原理上來看,它是可能應用在可見光的。

EE Times:但我可以想像開發出一個能使可見光繞過物體的傳統透鏡和折射系統。從原理上來看,為什麼還需要超物質呢?

Schurig:一方面,轉換理論規格所要求的物質必須是異質的,這意味著其特性會隨不同的點到點或方向而改變,也就是說物質特性取決於電磁場方位。最後,你還必須找到介電率導磁率比在自由空間低的物質。

EE Times:我熟悉的超物質可運作在微波中,並以具有開環振盪器(split-ring oscillator)的電路板來提供工作頻率的諧振器。這也是你們正提出的設計嗎?

Schurig:是的,這大致上就是我們所做的東西。事實上,我們所進行的第一次隱形展示將使用相同的電路板物質。

EE Times:我猜想你們第一款實際的隱形元件將在微波頻率處提供一種平滑過渡的效果。情況是這樣嗎?

Schurig:是的。

EE Times:甚至可能得到實際應用。例如,為什麼不把這些設備應用於隱形一個間諜衛星,以防止雷達發現呢?

Schurig:絕對能做到。躲避雷達偵測是超物質在適當頻率範圍上的一個應用。可以確定的是,躲避可見光預計是10年後的事情,但使用隱形元件來躲避雷達偵測很快就能實現。

EE Times:就你們在微波範圍的初始實驗來說,你們打算隱形的物體體積有多大?

Schurig:我們的測量裝置只針對測量幾十公分的東西而設計。

EE Times:你們預期何時可完成?

Schurig:由於事情進展得相當順利,我們預期將在不到一年的時間內就可推出一些成果。

EE Times:請您為對於隱形實驗感興趣的電子工程師提供一點建議?

Schurig:這項實驗的主要設計過程必須回歸到基本的電路模型。電子工程師們在學校所學的電路模型是非常有幫助的,因為我們必須反覆地使用這些模型來設計超物質。純粹從直覺出發,當你考慮到一個超物質開環諧振器時,你就會想到改變影響著諧振器頻率的開環電感和電容器,以便改變諧振器的特性。

EE Times:儘管它應用在一個不同尺寸的規模上,但您為這象徵著基本電子工程技能的復興嗎?

Schurig:我們是這樣認為的。我們大部份的人都是物理學家,但我們卻一直使用著電子工程學的基本電路模型。事實上,我們全部都在杜克大學的電子工程學系中進行這些工作。

EE Times:在完成這些微波電路板級的電路原理實驗後,你們是否期望這些結構能轉移到微機電系統發展?

Schurig:是的,我認為未來的10年該領域就朝此發展,並使其發展到奈米級能夠讓隱形元件在可見光的頻率範圍內發揮作用。

EE Times:隱形效果總是侷限在具有一定頻率範圍的頻寬內。有沒有什麼方法可以使用三個平行系統,例如RGB,而使得隱形元件能在整個可見光範圍上奏效呢?

Schurig:是的,這是可能的,或者說一個單一系統也能動態調節。在這方面工程師就能夠施展各種技巧。如果電子工程師對於這些隱形元件感興趣的話,那麼我建議他們現在就開始學習超物質;這是一種可實現隱形元件的新技術。

David Schurig簡介

現為杜克大學博士後研究員

曾任加州大學聖地牙哥分校(UCSD)博士後研究員、Tristan Technologies公司物理研究員

美國加州大學聖地牙哥分校(UCSD)物理學博士

作者:羅克鈴




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