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少年“隐形斗篷”梦
从小就是“哈迷”的我,至今仍不时回想起《哈利·波特》那跌宕起伏的情节,也为其间各类奇妙的魔法神器而着迷.其中,哈利的一身隐形斗篷尤其给我留下了深刻的印象——在最危急的关头,它总能帮助主人转危为安.儿时的我也曾幻想能像哈利一样,拥有一件属于自己的隐形斗篷.然而,时光匆匆流逝,这个“不切实际”“不符合物理基本规律”的愿望终究也没能实现.
就在几乎快要忘却的时候,几则振奋人心的科技报道又重新点燃了我内心的希望.报道称,目前,科学家们已经制造出了能让物体“隐形”的材料.原来,早在2006年年初,英国帝国理工学院的物理学家约翰·潘德瑞（John Pendry）爵士便预言：“超材料”薄层能够让光线绕过物体,从而使物体隐形.这是在现实生活中最早关于隐身斗篷的技术构想.几个月之后,美国的戴维·R·史密斯（David R.Smith）教授则展示了这种斗篷的雏形.
那么,这个能够将科幻小说中虚构的事物转变为现实的“超材料”究竟是何方神圣呢?它和中学课本上的那些电磁学、光学物理定律又是否相悖呢?下面,就让我们来揭开“超材料”的神秘面纱,一起看一看它的前世今生.
超材料的前世今生
虽然超材料的概念直到21世纪才被提出来,但最早的相关研究恐怕要追溯到大约半个世纪以前了.早在1967年,就已经有科学家对这类具有超常物理性质的材料进行过理论上的设想.
苏联科学家维克托·韦谢拉戈（Victor Veselago）曾指出,如果有一种材料同时具有负的介电常数和负的磁导率,那么它将颠覆整个光学世界——它能够使光波看起来如同倒流一般,并且在诸多方面都将表现得有违常理.
但是,在自然界中并不存在这样的材料——如果存在,我们应当能够观察到许多奇特的物理现象,比如负的折射率（如图b所示）、相反的多普勒效应,等等.或许是太过于石破天惊,维克托·韦谢拉戈的设想未能立即引起学界的重视.数十年光阴悄然而逝,这一设想竟然几近无人问津.哈利·波特穿上隐形斗篷（剧照）
直到20世纪末,约翰·潘德瑞的研究取得了重大突破,这才让维克托·韦谢拉戈尘封多年的设想再度成为人们热议的焦点.约翰·潘德瑞前瞻性地引入了超材料的概念.他开创性地指出,不应当只是将材料看作一个均匀的块体,而应当关注组成它的微小单元.
换言之,材料的电磁特性可以从这些细小的结构单元中获得,而这些单元之间的相互作用也可能产生出一些原本不可能出现的效应.
从这一思想出发,约翰·潘德瑞提出了可以兼具负介电常数和负磁导率的结构单元.随后,戴维·R·史密斯等在此基础上,首次制造出了在微 段具有负介电常数和负磁导率的材料.他们让一束微波射入铜环和铜线构成的人工介质,使得微波以负角度偏转.
由于电磁波在这种材料内部进行传播时,波矢k、电场E和磁场H之间符合左手定律,因此这种材料也被称为左手材料或负群速度材料.可以说,超材料的问世在物理学史上具有里程碑式的意义.超材料,连同具有负折射率的左手材料一起,备受世人瞩目.
2003年和2006年,美国著名期刊《科学》两度将“左手材料”的相关研究列为当年的“十大科学进展”.就这样,随着科技的进步,昔日只能出现在科幻世界里的“隐形斗篷”,如今不再是那样的“不切实际”.
光子晶体的诞生
若和命运坎坷的左手材料相比,另一种超材料——光子晶体的诞生则显得一帆风顺.
1987年,两位美国科学家从不同的角度出发,各自独立地提出了光子晶体的概念——一类在光的波长尺度上具有周期介电结构的材料.这项研究拓展了我们对传统材料的认识,同时也昭示了光子技术广阔的应用前景.
这两位科学家的工作很快受到了广泛的关注,并因此而掀起了研究光子晶体的热潮.真是无独有偶,在20世纪末,关于光子晶体的研究也同样被《科学》两度列为当年的“十大科学进展”.该杂志于2006年还进一步将光子晶体列为未来自然科学的热点关注领域.
超材料,前途无可限量
迄今发展出的超材料包括左手材料、光子晶体、超磁性材料等.不同种类的超材料在各自的领域中都可谓大放异彩.
这里,我们选择性地介绍两种最具代表性的、也最为人所熟知的超材料——左手材料和光子晶体.
左手材料
如上所述,左手材料是指一类介电常数和磁导率都同时为负值的材料.它们具有负的相速度、负的折射率、理想成像、逆多普勒频移、反常切伦科夫辐射等物理性质.
利用这些反常的特性,可以实现诸多奇妙的功能.例如,我们可以利用左手材料制作出具有超高分辨率的、不会丢失信息并将所有能量完全复制到成像点的理想透镜,可以用作天线覆层以提高天线的定向性、确保通信的保密性和高效性,可以制作微波部件（如滤波器等）以显著减小部件的体积,可以控制电磁波传播方向、阻止信号向人脑方向传播从而避免手机辐射对人体造成的伤害,等等.
利用左手材料以及和之相关的超材料,还可以让电磁波以特定的路径绕过其包裹的物体,从而达到使该物体“隐身”的效果,这正是电磁隐身衣和光学隐身衣的实现途径（如图c所示）.具备人工特殊结构的“超材料”
总结:这篇波特论文范文为免费优秀学术论文范文,可用于相关写作参考。
参考文献：
1、 莎士比亚、哈利·波特和牛津大学博德利图书馆 1602年11月8日，位于牛津大学的博德利图书馆经过翻新之后，正式与公众见面。托马斯·博德利爵士是一位富有的退休外交官。图书馆所在的建筑几成废。
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