」那麼，如何製造超材料呢？其原理是：用至少一種具有負磁導率的材料和至少一種具有負介電常數的材料，構建出特定的幾何結構圖案。通常，這些圖案會以重複單元（稱為 「單元結構」）的形式排列，並且每個單元結構的尺寸要小於它所作用的光的波長。從宏觀層麵來看，將具有負磁導率的材料與具有負介電常數的材料結合，就能得到一種具有負有效折射率的材料。」
」我們可以用你的 LED 電腦顯示器螢幕來舉例說明這一原理。雖然顯示器螢幕本身並非超材料，但它能幫助我們理解許多材料的工作方式。LED 螢幕由大量畫素組成，每個畫素實際上是由紅色、綠色和藍色的 LED 元件組合而成。通過像控製一組小型彩色燈泡的亮滅那樣，控製紅色、綠色和藍色 LED 元件的開關，一個能夠產生幾乎任何色調和亮度的畫素就形成了。當我們從遠處觀察時，看到的就是此刻你正在觀看的視訊畫麵。你不會去關注每個畫素具體的色調和亮度，更不會留意每個畫素中各個 LED 元件的工作狀態，你所關心的隻是能夠看到這些神奇的動態畫麵。而這樣的畫麵，在幾代人之前還隻是人們的幻想，在更早的祖先眼中，甚至可能被視為近乎魔法般的存在。」
」你的近幾代祖先可能瞭解彩色燈光和電燈開關，但他們完全無法想像如何將這些技術提升到製造 LED 螢幕所需的水平，也無法想像如何以足夠快的速度控製這些元件，從而形成動態畫麵的視覺效果。超材料的原理與此類似：其單個組成元件的行為與我們所熟知的普通材料並無不同，但當這些元件與其他元件組合在一起形成整體時，超材料所表現出的特性就與傳統材料大相逕庭了。」
」在超材料中，單個元件需要被構建成特定的幾何形狀，且這些元件的尺寸要小於該材料所要操控的光、輻射或聲音的波長。這就意味著，直到最近，超材料的設計還隻能用於操控無線電波和聲波，而無法操控可見光。因為製造出能夠與無線電波或聲波的較長波長相匹配的元件要容易得多。微波是無線電波中波長最短的一種，其波長約為 1 毫米或更長，這比波長最長（約 1400 奈米）的近紅外線還要長 7000 多倍。」
」製造出尺寸小於可見光（波長 390-700 奈米）甚至近紅外線（波長 750 奈米 - 14 微米）波長的幾何結構，是一項極具挑戰性的任務。在這些光的波長範圍內製造元件之所以困難，是因為原子的直徑僅為 0.1-0.3 奈米，要在如此小的空間內構建元件，可容納的原子數量非常有限。舉個例子，我們通常認為人體生物細胞已經非常微小，但它們的直徑通常有數千奈米，甚至更大，因此我們可以用顯微鏡藉助可見光觀察到它們。而超材料的單個單元結構需要小於數百奈米，也就是要小於光的波長。」
」不過，近幾十年來，我們在微型製造領域已經取得了顯著進步。現代處理器中的電晶體尺寸約為 14 奈米，這比我們能看到的最長波長的光（接近紅外線的深紅色光）還要小 50 倍，比我們能看到的最短波長的光（接近紫外線的藍色和紫色光）還要小 30 倍。所以，如今我們已經能夠製造出處於這一尺寸範圍的元件了。但問題在於，在達到我們想要操控的光的波長尺寸之前，可供我們使用的材料非常有限，而且我們無法製造出均勻且完全相同的元件。」
」這並不是說製造可見光和紅外線波段的超材料是不可能的，隻是它們的製造難度要大得多。目前，我們已經有了一些相關例項，這些超材料通常是由兩種差異極大的材料形成的極薄塗層構成，且塗層組合的厚度遠小於光的波長。」
」首先，讓我們來談談基於無線電波的超材料及其製造方法。這類超材料是我們目前瞭解最為透徹的，也是最早被研發出來的。正如前麵所提到的，大多數天然材料的介電常數和磁導率均為正值，但也存在例外情況：鐵氧體的介電常數為正，磁導率為負；而等離子體的介電常數為負，磁導率為正。」
」金屬具有所謂的 「等離子體頻率」，且這一頻率低於光的頻率範圍。在高頻情況下，金屬的行為類似於等離子體。通常情況下，金屬是良好的導體，但當頻率高於其等離子體頻率時，金屬就會變成不良導體，電流無法正常產生。這會導致電磁波能夠穿過金屬，就像穿過有損耗的真空，而不是穿過固體物質一樣。」
」如果我們製造出非常小的金屬棒，就能讓它們在特定的波長範圍內表現出類似等離子體的特性，從而獲得負介電常數；如果我們製造出小的鐵氧體環，就能讓它們在特定的波長範圍內獲得負磁導率。然而，這些材料單獨使用時，並不能產生有用的負折射效果。隻有當我們將金屬棒和鐵氧體環組合在一起時，神奇的效果纔會出現 —— 我們得到了一個超材料單元。將大量這樣的單元進行擴充套件排列，就能得到一種同時具有負磁導率、負介電常數和負折射率的材料。金屬棒和鐵氧體環單獨存在時，都無法產生奇妙的負折射現象，但它們組合在一起後，就實現了這一效果。至此，我們製造出了第一種超材料。」
」那麼，這種超材料能用來做什麼呢？假設你想要將一束無線電波聚焦到接收器上。如果你使用一塊傳統材料製成的聚焦透鏡，它反而會使無線電波更加分散；而如果使用一層超材料，情況則會完全相反。更棒的是，這種超材料可以被製成平麵形態，卻依然能夠將無線電波集中到接收器上，這對於電子裝置來說無疑是一大福音。我們實現了製造完美透鏡的終極目標 —— 這種透鏡能夠聚焦輻射，且不需要通過改變透鏡厚度來實現這一功能。我們對超材料結構的操控越精準，就能用它製造出適用於更短波長的透鏡。」
」超材料還能實現其他有趣的功能。例如，假設你希望隻有特定波長的無線電波能夠進入接收器，以 Wi-Fi 的 2.4 吉赫茲頻率（對應波長 12.5 厘米）為例，我們可以對超材料單元進行調節，使得這種超材料僅在 Wi-Fi 頻率範圍內起到完美透鏡的作用，而其他頻率的無線電波則會像遇到普通材料一樣被散射或產生其他作用。這樣一來，訊號的訊雜比會顯著提高，我們就能獲得更高效、更高質量的 Wi-Fi 訊號。」
約炮!
檢視附近正在尋找炮友的女人!
約嗎?
」我們還可以利用超材料實現一種名為 「反向都卜勒效應」 的現象：通過改變超材料單元的幾何結構，我們實際上可以補償任何都卜勒效應。如果你曾經聽過車輛行駛時喇叭或警報器的聲音，就會對都卜勒效應有所體會 —— 當車輛向你靠近時，聲音的音調會升高（我們稱之為 「藍移」）；當車輛遠離你時，音調會降低（我們稱之為 「紅移」）。在天文學中，你也會接觸到這一概念：當恆星向我們靠近時，其光譜會發生藍移；當恆星遠離我們時，光譜會發生紅移。除了銀河係及其最近的鄰近星係中的恆星外，宇宙中所有恆星都在隨著宇宙的膨脹而遠離我們，因此它們的光譜都會發生紅移。」
」對於高速飛行的太空飛行器來說，都卜勒效應是一個棘手的問題。因為根據接收器和發射器之間是相互靠近還是遠離，傳輸的訊號會發生藍移或紅移。多年來，如何補償這種效應一直是美國國家航空航天局（NASA）麵臨的一大難題，需要使用昂貴的裝置來應對這一現象。例如，在惠更斯號探測器進入土星衛星土衛六的大氣層時，由於它與母船卡西尼號之間存在都卜勒效應問題，我們險些無法獲取探測器傳回的資料。這一問題還導致惠更斯號探測器從卡西尼號上的部署時間推遲了四年。」
」然而，在未來，我們隻需對超材料進行調節，就能逆轉任何都卜勒效應，讓接收器能夠接收到其設計時所設定的最佳工作頻率的訊號。這對於太空飛行器本身也大有裨益，它能使太空飛行器上的無線電裝置更可靠、重量更輕且能效更高。」
」超材料的另一大出色特性是，它能夠接收來自各個角度的無線電波，並將這些電波完美地聚焦到接收器上。這意味著我們不再需要反覆調整接收器的角度來獲取最佳訊號。」
」鑑於超材料在軍事領域的應用潛力，再結合我自身的軍事背景，接下來我將通過一個軍事場景的例子，更直觀地展示超材料的優勢。假設戰場上有兩名士兵，羅穆盧斯（Romulus）和瑞摩斯（Remus），羅穆盧斯使用的是傳統技術裝備，而瑞摩斯使用的是基於超材料的技術裝備，他們的作戰表現會有怎樣的差異呢？」
」羅穆盧斯穿上了迷彩服，還在臉上塗了迷彩油彩，以打破自身外形的輪廓，儘量不被敵人輕易發現。但不幸的是，冇有任何辦法能真正隱藏他的紅外訊號，而且他遠未達到真正 「隱形」 的狀態。此外，穿上迷彩服、塗抹臉彩還花費了他寶貴的時間。」
」羅穆盧斯所在的部隊正在向戰場推進，但部隊成員很難確定其他友軍部隊的位置，甚至連自己部隊內部成員的位置都難以掌握。在現實中，友軍誤擊事件時有發生，尤其是在成員之間無法相互看見的情況下。」
」經過一整天在戰場上的艱難跋涉，羅穆盧斯所在的部隊終於得到了休息的機會。他攜帶的電子裝置需要依靠沉重的電池供電，因為這些裝置的耗電量很大。於是，羅穆盧斯架起了太陽能電池板，試圖為裝置部分充電，同時還搭建了衛星上行鏈路，以便接收上級的命令。然而，搭建上行鏈路並非易事：需要將裝置對準天空中衛星的方向，才能確保訊號能夠傳輸到衛星，而且能否成功建立連線全憑運氣。過了好一會兒，他才成功與上級取得聯絡，獲得了進一步的命令。」
」羅穆盧斯使用的通訊裝置經過了加密處理，以防止敵人竊聽。但近來，他們的傳輸訊號多次被敵人偵測並破解。為了應對這一問題，通訊裝置增加了加密模組，這卻導致裝置的耗電量大幅增加，傳輸速度也變慢了。因此，羅穆盧斯一直擔心電池電量不足以支撐裝置執行，或者裝置收發資訊的速度太慢，無法滿足作戰需求。儘管太陽能電池板在裝置架設期間一直在工作，但電池的電量幾乎冇有得到明顯補充，他開始擔心剩餘的電量可能無法讓他完成此次任務。」
」隨後，部隊接到命令，要求偵察附近的敵方營地，並傳回營地的影象。羅穆盧斯和戰友們悄悄向敵方營地靠近，祈禱不被髮現。他小心翼翼地用相機拍攝營地的畫麵，並試圖放大營地中可能具有重要價值的區域。但由於相機鏡頭的限製，放大功能效果有限 —— 想要獲得更高的解析度，就需要更厚重、更龐大的鏡頭。」
」為了避免被敵方崗哨和狙擊手發現，他們選擇在夜間執行偵察任務，但這又帶來了新的問題：相機鏡頭的夜視功能有限，為了拍攝到有用的影象，他們不得不冒險靠近敵方營地。結果，羅穆盧斯這一天的任務以糟糕的結局收場 —— 他的小隊被敵人發現，不得不在敵人的火力掩護下倉促撤退。」
」之後，又過了好幾個小時，羅穆盧斯才得以再次搭建起衛星上行鏈路，準備將拍攝到的畫麵傳輸給上級。但正如大家所熟知的 「墨菲定律」（凡事隻要有可能出錯，就一定會出錯）—— 這是戰場上的首要法則，電子裝置在戰場上出現故障的概率更是加倍。果不其然，就在影象即將上傳完成時，電池冇電了。無奈之下，羅穆盧斯隻能通過無線電向總部口頭描述小隊所觀察到的情況，希望這些描述足夠詳細，能對上級製定決策有所幫助。」
」與之形成鮮明對比的是，瑞摩斯這一天的任務進展得非常順利。他穿著一套基於超材料的紅外隱身服，這套衣服能夠將他身體散發的熱量導向遠離自身的方向。因此，當敵人使用紅外夜視儀觀察時，根本無法探測到他身上發出的熱訊號。此外，他還配備了最新的 「變色龍」 隱身服，這種衣服能夠使光線繞過他的身體，讓他在白天的可見光環境下也能實現隱形。與電影中的場景不同，這些超材料製成的裝備非常堅固耐用，而且幾乎不消耗電力。」
」瑞摩斯攜帶的超材料無線電收發器，能夠讓友軍在戰場上精準定位他所在小隊成員的位置。因此，他隨時都能掌握所有隊員的動向，友軍誤擊的可能性幾乎為零。」
」雖然這一天的行軍路程很長，但由於所使用的裝備大多採用了超材料，這些裝備的重量相對較輕。而且，與羅穆盧斯攜帶的傳統裝備相比，超材料裝備的能效更高，耗電量更少，所以瑞摩斯攜帶的電池體積也小得多。不僅如此，他還可以利用超材料製成的太陽能電池板為裝置快速、充分地充電 —— 這種太陽能電池板比羅穆盧斯使用的傳統太陽能電池板更輕便、能效也更高。」
」藉助超材料收發器，瑞摩斯無需花費時間搭建連線，就能迅速與衛星建立通訊，將訊號傳輸給衛星。事實上，上級部門一直通過這種方式實時監控著他的任務進展。」
」超材料還被應用於光電處理器的製造，這種處理器體積超小、能效極高，隻需消耗極少的電力就能實時完成通訊訊號的加密和解密工作。我們很容易忽略這樣一個事實：計算過程中的一大瓶頸在於翻轉每個位元所需的能量以及由此產生的熱量積累。在這方麵，瑞摩斯的裝備更具優勢 —— 傳統電子裝置在熱成像紅外探測器上往往比人體更容易被識別出來，而瑞摩斯的超材料裝備則很好地規避了這一問題。」
」不久後，瑞摩斯也接到了與羅穆盧斯相同的命令：偵察附近的敵方營地並傳回影象。他使用超材料製成的相機拍攝營地畫麵，並對營地中可能具有重要價值的區域進行放大拍攝。由於這款相機配備了 「完美透鏡」，其放大功能效果極佳，無論是在可見光波段還是紅外波段，瑞摩斯都能在遠離敵方營地的安全位置拍攝到所需的清晰影象。這使得他被敵人發現的風險大大降低，即便被髮現，也能更輕鬆、安全地撤離。」
」為了獲取敵方營地中裝置散發的熱訊號影象，瑞摩斯選擇在夜間行動。在「變色龍」隱身服和紅外隱身服的雙重保護下，敵方崗哨和狙擊手根本無法發現他的蹤跡。他將拍攝到的影象實時傳輸給上級，上級還要求他對營地中幾個重點區域進一步放大拍攝，以獲取更詳細的資訊。」
」瑞摩斯這一天的任務以圓滿的結局告終：由於他的小隊對敵人而言幾乎是「隱形」的，他們得以順利撤離，冇有引起敵人的察覺。而羅穆盧斯的小隊則在撤退過程中暴露了行蹤，這使得敵人意識到自己的營地已被偵察，並隨即調整了部署。」
」瑞摩斯和羅穆盧斯截然不同的任務結局，歸根結底，正是源於瑞摩斯所使用的超材料技術帶來的革命性變化。」
」不過，需要說明的是，這並不意味著超材料實現了「完美隱身」——實際上，目前仍有多種方法能夠探測到瑞摩斯。但與羅穆盧斯相比，瑞摩斯的隱蔽性已經有了質的飛躍。而且，就像所有隱身技術一樣，超材料隱身的核心目的在於降低在常規偵察手段下被髮現的概率。」
」由此可見，超材料的一大重要應用領域（也是科學新聞中經常提及的）就是實現「變色龍效應」，即用於偽裝和部分隱身功能。顯然，各**方都對這類應用表現出了濃厚的興趣。此外，超材料還可用於防護領域，因為這類材料能夠將光、電場或磁場從我們需要保護的物體周圍引開，避免這些物體受到光、電場或磁場的影響，或者減少這些因素產生的乾擾。」
」我們還看到了超材料在接收器領域的價值——例如，配備了超材料的接收器無需移動，就能追蹤衛星訊號。在更小的尺度上，超材料還能進一步提升無線裝置的訊號傳輸效能，這得益於它能夠為特定頻率或波長製造出「完美透鏡」。此外，超材料還有可能應用於高速資料處理領域，未來我們或許會看到採用全超材料技術的手機，以及手機上配備的超材料攝像頭。」
」如今，普通智慧型手機的攝像頭已經比幾十年前的任何相機都更小、解析度更高，而超材料技術的應用將進一步提升手機攝像頭的效能。超材料不僅能幫助我們製造出成像效果更好的鏡頭，還能實現一些傳統鏡頭根本無法實現的功能。」
」我們都期望能在任何地方通過多種材料實現超高速寬頻網路連線，而超材料技術不僅能讓這一願望更容易實現，還能大幅減小接收器的體積、降低其耗電量。正如光纖取代了銅纜一樣，超材料未來也有可能取代光纖。正如前麵所提到的，超材料還有望大幅提高太陽能發電的效率，同時減小太陽能裝置的體積。」
」目前，便攜裝置麵臨的一大問題是充電便利性，而另一大問題則是電能儲存。」
」儘管「隱形鬥篷」是超材料最廣為人知的應用，但它並非無懈可擊。一個很明顯的例子就是聲音——「隱形鬥篷」無法幫助你躲避蝙蝠的回聲定位，也無法在與袋獾（Tasmanian Devil）的搏鬥中保護你。即便偵察小隊能保持高度安靜，他們仍有可能被腳步聲產生的聲波，或者被類似蝙蝠、鯨魚、海豚的探測方式（即向某一區域發射聲波並監聽回聲）所發現。」
」之前我也提到過，超材料不僅包括電磁超材料，還包括聲超材料，二者的原理非常相似，而且聲超材料的製造難度實際上還要略低一些。因為聲波的波長範圍很廣：最高頻率的聲**長約為幾厘米，最低頻率的聲**長則可達約20米，而可見光的波長單位則是奈米級。」
」顯然，能夠實現「聲隱身」具有重要的實用價值，這不僅適用於偵察小隊隱蔽行動，還可用於潛艇的聲吶防護。坦克行駛時會產生巨大的噪音，高速公路上車輛行駛也會產生大量噪音，因此在城市地區的高速公路旁，我們不得不修建隔音牆。聲超材料還為採石場、揚聲器和麥克風的設計提供了新的可能，例如製造更薄的隔音材料等。因此，聲超材料是超材料的一個重要類別，具有大量極具價值的應用場景。」
」此外，由於聲波傳播和熱傳導在傳導機製上密切相關，聲超材料在供暖和製冷領域也可能具有令人矚目的應用前景。同時，我們也不應忘記，聲波還可以用來移動物體——定向聲波透鏡未來或許能應用於製造現實版的「牽引光束」或「聲波屏障」，不過需要注意的是，這類裝置在太空中無法使用，因為它們需要空氣或其他介質才能傳播聲波。」
」以上隻是超材料潛在應用的一小部分。隨著超材料技術的不斷髮展，我們相信未來還會湧現出更多新的應用思路。超材料對人類文明可能產生的影響，無論如何強調都不為過，而且我們目前也無法預見它所有可能的應用——就像最初研究半導體的人無法預見半導體的全部潛力，甚至那些將半導體製成電晶體的人也無法想像其後續的廣泛應用一樣。超材料很可能會成為我們未來生活的重要組成部分，並且有望在不久的將來，影響到我們家庭生活和個人生活的方方麵麵。」
」超材料並非遙遠的未來科技，而是下一代的核心技術。其中，用於便攜裝置的輕型加密技術就是超材料的應用方向之一——隨著科技的發展，這一應用的重要性將日益凸顯。事實上，加密技術和隱私保護將是我們今年春夏季節重點探討的話題之一。屆時，我們將重新審視後稀缺文明，並探討這類從表麵上看似乎物質極大豐富、無所匱乏的文明所麵臨的一些真實挑戰。」