原標題：給我哈利·波特的隱身衣
從金和矽中蝕刻出來的元件使得超材料結構可以迅速改變其傳播和反射光的能力。
圖片來源：《自然》
擁有奇異光學特質的工程學結構已經走出實驗室，開始進入市場。
如果物理學家Tom Driscoll沒有再次聽到「哈利·波特的隱身衣」這樣的形容，他將十分開心。但他知道這無法避免。輿論界在報導超材料的最新進展時，並沒有抵制使用這個詞。這些新材料是能彎曲、分散、傳輸，或以某些方式塑造電磁輻射的一系列極小「元素」。
的確，超材料大體上能圍繞物體傳送光，並使得它們不可見。還有一些超材料研究人員正試著製作一件真正的隱身衣，尤其是因為軍隊急切地資助研發此類功能材料。
不過，這樣的應用得以實現，還將需要數十年的時間。技術的商業轉化對Driscoll來說更有吸引力。
Driscoll在美國一個專利聚合公司——高智發明公司中負責監管超材料商業化。他表示，成本更低的通訊衛星、更薄的智慧型手機和超快光學數據處理等應用是「超材料準備大顯身手的領域」。
研究人員仍面臨一些嚴峻的挑戰，他補充道，尤其是尋找能在納米尺度上製造和操縱超材料元素的便宜方法。但是首個超材料產品預計能在1年左右上市銷售。Driscoll希望，在那之後不久，普通消費者也能夠開始享受這種福利，例如在飛機上享受到更快更便宜的網絡連接等。
首個超材料的實驗室演示由美國加州大學聖地牙哥分校物理學家David Smith及其同事於2000年公布。在上世紀90年代英國帝國理工學院的John Pendry完成理論研究後，這些研究人員表示，一排微小銅線和金屬環對微波有負的折射率。超材料引發人們極大興趣的一部分原因就是這種彎曲輻射的能力，即製造隱身衣的潛能。
從那以來，Smith等人探索了對超材料的各種想法。他們還超越了靜態陣列，設計了技術改變元素排列的方式。結果產生的材料能從不透明變為透明，或者從紅色變為藍色。
市場動態
今年1月，現就職於北卡羅來納州杜克大學的Smith開始兼任高智發明公司超材料商業化主管。「我認為，當時恰合時宜，並且對於其中一些東西，我們不需要作更多的科學研究。」他說。
一個相關測試案例可能在明年就可開始。高智發明公司在華盛頓雷德蒙的分公司希望上市一種緊湊型天線，這將是第一款消費者導向的超材料產品。這個相對便宜的設備將能為飛機、火車、船舶、汽車以及其他遠離行動網路的平臺提供寬頻的衛星通訊。
在天線的中心——細節仍是機密——是一個扁平的線路板，包含數千個電子超材料元件，通過裝置內部軟體的控制，每個元件的性能可以瞬間改變。這允許天線追蹤穿過整個天空的衛星，而不用維持特定的朝向。軟體能不斷地調整每個超材料元件的電學特性，而天線仍然保持靜止。
Smith表示，該技術比碗型天線等替代性選擇更加緊密。「它節省了成本、重量和能耗。」該公司已經為投資者和潛在開發夥伴示範了相關技術。
但是，Smith提醒，該公司尚未對新天線進行定價，在嚴格維持新天線性能標準的同時，還需要降低成本。
關於新天線的一些細節，研究人員則表示很難予以評估。但Smith高度重視這一領域。一旦該公司將這一產品投放市場，它可能首先為私人飛機和客機提供天線。如果買主反響良好，該公司希望將該技術合併入其他生產線。
聚焦平面
儘管存在不少困難，但光學超材料的可行設計開始出現。3月，英國南安普頓大學物理學家Nikolay Zheludev領銜的研究小組發表了自己的研究，Zheludev還在新加坡南洋理工大學指導一個聚焦超材料的研究中心。該研究小組的設計能夠通過納米級手段，極大改變其傳送或反射光波長的能力。將來它有望成為高速纖維光學通信網絡的開關。
同時，因為製作以及在光學尺度上控制三維超材料陣列十分困難，一些研究人員將目光投向了二維的「超表面」。
2012年8月，美國哈佛大學的Federico Capasso及其同事設計出一種平的超材料鏡頭，它能將紅外光聚焦到一個點上，幾乎與玻璃鏡頭一樣。「我不想說這是絕對新穎的。」Capasso說，「但我相信我們是第一個如此明確地將平面光學器件植入商業應用的團隊。」
一個傳統鏡頭依賴折射使光變彎曲，從而聚焦到一個點上。Capasso的鏡頭使光通過一個金的超材料二維陣列，這些超材料是使用光刻技術電子束從一個60納米厚的矽片上蝕刻出來的。金元件被固定，因此裝配後也不能調整。但是，在製造過程中，通過選定特殊的形狀和間隔，物理學家能將選定波長的光以精確的正確方式到達一個焦點。
Capasso警告稱，這種平面鏡頭的商業化歷程或許仍需要10多年。部分原因是由於矽是一種堅硬易碎的基質，研究人員考慮使用更強健靈活的替代品，使其可以更容易在生產線上操作。他們也在尋找更好的方式，控制納米元件的蝕刻，這些工作需要非常精確。
但是，Capasso表示，一旦相關技術被掌握，一個顯著的應用是在智慧型手機內置相機中。當然，這種平面鏡頭仍然會受到光衍射的限制。不過超材料提供了一種製造「超級透鏡」的方式，或能超越這些限制。
早在2005年，加州大學伯克利分校物理學家Xiang Zhang及其同事就演示了一個早期的超級透鏡概念。該研究小組製造了一種簡單的超材料，包含35納米厚的銀層，位於鉻和塑料納米級夾層中間。
可逆焦點
通過將傳統光學與基於超材料的超級透鏡等相匹配，Zhang希望能最終實現遠遠超出顯微鏡學領域的應用。正如那些能夠放大次波長細節的構建一樣，它們也可以逆向運行，引導光束進入次波長焦點——該性能可能會對使用光刻技術製造極小結構有革命性的重要作用。
如果超級透鏡能被利用，超細光束將能被用於蝕刻現在還無法達到的更小結構。這將極大增加光碟機的數據儲存密度。
Smith對此十分謹慎，他指出，與其他目前開發的相關先進技術相比，超級透鏡趨向驅散更多光能。他說，這使得它們是「引人注目的科學，但尚未被應用於任何產品中」。不過，他補充道，Zhang的努力是「英雄般的試驗，從根本上證明了超材料的潛力」。
Zhang也承認超級透鏡等尚未準備就緒，但是他相信，在未來幾年裡，正在進行的研究有足夠的空間改變這一現狀。他說：「經濟影響可能十分巨大，我對超材料、超級透鏡和光刻技術革命，保持謹慎的樂觀。」（張章）