他把空間當(dāng)作“橡膠”，開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)實(shí)用的物理領(lǐng)域

彭德里（John Pendry）是當(dāng)代最具影響力的理論物理學(xué)家之一，也是超材料與變換光學(xué)（transformation optics）領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)者之一。他提出負(fù)折射率材料的可實(shí)現(xiàn)方案，并進(jìn)一步預(yù)言和推動(dòng)了“完美透鏡”的概念，成功挑戰(zhàn)并超越了傳統(tǒng)光學(xué)的阿貝衍射極限，實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)成像。他還構(gòu)建了“隱身斗篷”的理論框架，利用變換光學(xué)精準(zhǔn)操控電磁波路徑，為納米光學(xué)、超分辨成像及新一代集成顯示技術(shù)奠定了物理基礎(chǔ)。彭德里獲得過(guò)諸多殊榮，其中2024年因“超材料理論構(gòu)建對(duì)材料科學(xué)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)”，獲得該年度京都獎(jiǎng)（Kyoto Prize）。本文是他的獲獎(jiǎng)演講“我的科學(xué)生涯”實(shí)錄。

撰文| 約翰·彭德里（John Pendry，倫敦帝國(guó)理工學(xué)院理論固體物理教授）

翻譯| 葉凌遠(yuǎn)

童年時(shí)代

我被要求談?wù)勎以缒觊g的生活，那就讓我們從頭開(kāi)始吧。

圖1 約翰·彭德里童年時(shí)

我出生在英國(guó)的蘭開(kāi)夏郡（Lancashire），一個(gè)叫作阿什頓安德萊恩（ Ashton-under-Lyne ）的棉紡小鎮(zhèn)。我出生于1943年，那個(gè)時(shí)代可與現(xiàn)在大不相同。我父親在航空業(yè)工作，我母親在政府 當(dāng) 書(shū)記員。那時(shí)正值戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期。

我們一家和祖母住在一起。她在一條名為“便士草甸”（Penny Meadow）的街上開(kāi)了一家糖果店。那時(shí)候其實(shí)已經(jīng)沒(méi)多少草地了，這里已成為鎮(zhèn)上主要的購(gòu)物街之一，靠近鎮(zhèn)中心的市場(chǎng)。街上的許多商店都住著年輕的家庭，所以我有很多朋友一起玩耍、搞惡作劇等等。那個(gè)商店還是一個(gè)相當(dāng)重要的社交中心，尤其是在星期六，我們的親戚會(huì)來(lái)購(gòu)物。買(mǎi)完?yáng)|西后，他們會(huì)來(lái)和我的祖母、母親聊天，順便喝杯茶。所以我們家是個(gè)挺熱鬧的“據(jù)點(diǎn)”。

正因如此，我不得不從小就習(xí)慣在干擾中做“研究”。那時(shí)候，我的父母之所以和祖母住在一起，是因?yàn)槭芟Ｌ乩盏挠绊懀?dāng)時(shí)市場(chǎng)上沒(méi)有多少房產(chǎn)可供選擇。但盡管有戰(zhàn)爭(zhēng)破壞，人們對(duì)未來(lái)仍保持著積極的心態(tài)。特別是，人們看到了科學(xué)將帶來(lái)的益處。所以，從很小的時(shí)候起，我就對(duì)科學(xué)著迷了：我不記得我想當(dāng)一個(gè)科學(xué)家的愿望在任何時(shí)候有過(guò)動(dòng)搖，科學(xué)家是最棒的。

時(shí)代變了。以上是20世紀(jì)40年代的樣子，和藝術(shù)家 L. S. Lowry 在《 蘭開(kāi)夏 街頭》（ Lancashire Street ，1951）中描繪的 棉紡社會(huì) 一模一樣。這幅畫(huà)當(dāng)時(shí)可能賣了幾千英鎊，我想現(xiàn)在值幾百萬(wàn)了，他的作品就是這個(gè)價(jià)。他最初在我們隔壁的奧爾德姆鎮(zhèn)（Oldham）工作，但也畫(huà)我們鎮(zhèn)的場(chǎng)景。他賺了點(diǎn)錢(qián)后，就搬到了稍遠(yuǎn)一點(diǎn)的莫特拉姆（ Mottram ），一個(gè)位于山間的小村莊。我們學(xué)校過(guò)去還經(jīng)常有人去采訪他。

圖2 《蘭開(kāi)夏街頭》（ Lancashire Street ）

請(qǐng)大家注意這幅畫(huà)的幾處細(xì)節(jié)。冒煙的煙囪，那是棉紡廠在運(yùn)轉(zhuǎn)的標(biāo)志。 Lowry 以畫(huà)我們現(xiàn)在所說(shuō)的“火柴棍小人”而聞名。畫(huà)中的蘭開(kāi)夏人在忙著各自的事情，他們非常善于交際，這幅畫(huà)正反映了我成長(zhǎng)時(shí)期的典型環(huán)境。

正如我提到的，棉花是我家鄉(xiāng)19世紀(jì)繁榮的基礎(chǔ)，我童年時(shí)期所看到的景象被巨大的棉紡廠占據(jù)。其中一個(gè)是帝國(guó)棉紡廠（ Imperial Cotton Mill ），我不太確定它具體在哪里，但它離我們很近。工廠有一個(gè)煙囪，整個(gè)建筑由一臺(tái)燃煤蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)。煤是本地開(kāi)采的，我們稱之為“黑鉆石”。如今煤炭的名聲不那么好了，但它驅(qū)動(dòng)了這些工廠。一臺(tái)蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)一系列皮帶，帶動(dòng)著極其嘈雜的機(jī)器。棉花從利物浦（Liverpool）轉(zhuǎn)運(yùn)到鎮(zhèn)上，它們從美國(guó)加爾維斯頓（ Galveston ）等地進(jìn)口而來(lái)，然后經(jīng)過(guò)紡紗、織布，再出口到世界各地。那些棉紡廠現(xiàn)在已經(jīng)不存在了，它們已成為歷史的一部分。

我非常幸運(yùn)。我的父母和祖母營(yíng)造了一個(gè)充滿愛(ài)心且穩(wěn)定的環(huán)境。家里有點(diǎn)凌亂，因?yàn)槲覀儧](méi)有太多空間：一家人擠在一間客廳里，旁邊連著廚房。那里 發(fā)生的事情不斷 ：絡(luò)繹不絕的訪客、店里的顧客，我父親的聲樂(lè)課、唱音階——不忍直視！更不用說(shuō)我還胡亂搗鼓化學(xué)藥品。我們家族關(guān)系非常親密，尤其是我母親那邊。我祖母在她的孩子們十幾歲時(shí)就守寡了，獨(dú)自撫養(yǎng)我的母親和舅舅長(zhǎng)大。

我的舅舅西德（Sid）對(duì)我成長(zhǎng)的影響很大。戰(zhàn)爭(zhēng)期間他在海軍部工作，后來(lái)他成為一名教師。他似乎從不厭倦回答我的問(wèn)題。他是個(gè)可愛(ài)的人。他會(huì)彈鋼琴，不過(guò)彈得不是特別好。有一次我生病臥床，除了聽(tīng)西德舅舅彈鋼琴外無(wú)事可做。我又一次被迷住了，于是要求父母讓我學(xué)鋼琴。不幸的是，我彈得也不行，但老話說(shuō)得好，“如果一件事值得做，做得糟糕也值得。”

我母親是徒步高手。她精力無(wú)限，我想這多少也遺傳給了我。她十分熱衷徒步旅行，也深深愛(ài)著鄉(xiāng)野風(fēng)景。北部的磨坊小鎮(zhèn)都很小，我想阿什頓（Ashton）大約只有五萬(wàn)人口，步行就可以走出鎮(zhèn)子，赴向自然。特別是在蘭開(kāi)夏郡的東側(cè)，也就是阿什頓所在之處，往外走可以進(jìn)入奔寧山脈（Pennines），夏末時(shí)節(jié)那里會(huì)鋪滿紫色的石 楠 花。再往北是湖區(qū)，我們常去那里度假，去一個(gè)叫作斯凱吉爾（ Skelgill ）的小農(nóng)場(chǎng)。這是德文特湖（Derwentwater） 修士巖（Friar ’s Crag ） 的圖片（圖3；譯者注：英國(guó)湖區(qū)著名景點(diǎn)），爬過(guò)貓背山（ Catbells ）后繼續(xù)徒步就能來(lái)到這里。

圖3 修士巖（Friar ’s Crag ）風(fēng)景

學(xué)生時(shí)代

接下來(lái)我講講學(xué)校和學(xué)生時(shí)代。時(shí)間在流逝。

我非常幸運(yùn)，在文法學(xué)校遇到了非常好的老師，他們對(duì)我照顧有加。

圖4 阿斯頓文法中學(xué)和我家中的實(shí)驗(yàn)臺(tái) 圖源：左圖 Sandra Martin

在學(xué)校功課之外，我也進(jìn)行自己的探索。你看到我的工作臺(tái)亂成一團(tuán)，當(dāng)時(shí)我正在組裝一個(gè)蓋革計(jì)數(shù)器（圖4 右）。這就是它 的 計(jì)數(shù)器，它的管子則在其他地方。如你所見(jiàn)，我那時(shí)完全沉浸在搗鼓電子器件之類的科學(xué)活動(dòng)中。那時(shí)候用的是電子管，后來(lái)晶體管才上市。

中學(xué)畢業(yè)后，我獲得了劍橋唐寧學(xué)院（Downing College）的獎(jiǎng)學(xué)金。我的物理老師和校長(zhǎng)都曾就讀于唐寧學(xué)院。他們特別希望我也去那所學(xué)院，甚至到了校長(zhǎng)親自給我輔導(dǎo)的地步。最終我很幸運(yùn)地獲得了唐寧學(xué)院的獎(jiǎng)學(xué)金。這是我在唐寧的住處，我在那里住了幾年（圖5 右側(cè)建筑左下角的窗戶）。

圖5 劍橋大學(xué)唐寧學(xué)院

到了劍橋， 我 仿佛如魚(yú) 得 水。這里擁有著我尋求科學(xué)人生的一切：充滿思想和個(gè)性，美麗的建筑，以及眾多有才華的人。

在科學(xué)方面，有馬丁·賴爾（ Martin Ryle ），他使用一些早期的射電望遠(yuǎn)鏡來(lái)反駁弗雷德·霍伊爾（ Fred Hoyle ）的靜態(tài)宇宙圖景。他們兩人常常發(fā)生相當(dāng)激烈的辯論。結(jié)果證明賴爾是對(duì)的：宇宙正在膨脹。還有克里克（ Francis Crick ）和沃森（James Watson），他們?cè)诳雌饋?lái)像公交候車亭的小棚子里工作，我攻讀博士學(xué)位時(shí)辦公室就俯瞰著那里。這些只是冰山一角。

圖6 克里克和沃森，圖源：由冷泉港實(shí)驗(yàn)室 BGI 諾貝爾檔案館提供。

在藝術(shù)方面，劍橋的音樂(lè)活動(dòng)多到你無(wú)法全部參加。我尤其陶醉于學(xué)院教堂里的管風(fēng)琴音樂(lè)。這是我的新世界。

超材料與負(fù)折射

那么，用了比我預(yù)期長(zhǎng)得多的時(shí)間做了這些介紹之后，讓我談?wù)勔恍┳罱K使我獲得這份美妙獎(jiǎng)項(xiàng)的研究。我希望告訴大家的是，我的工作起源于非常基礎(chǔ)的事物，而這些基礎(chǔ)的事物可以導(dǎo)向?qū)嶋H的應(yīng)用，進(jìn)而發(fā)展出人們真正想買(mǎi)的產(chǎn)品，因?yàn)樗鼈冊(cè)谌粘Ｉ钪泻苡杏谩＿@是一個(gè)漫長(zhǎng)的故事，因?yàn)槲乙故镜囊恍┭芯恳呀?jīng)相當(dāng)久遠(yuǎn)了。

圖7 超材料 圖源： JB Pendry, Contemporary Physics, 07 Aug 2006

我想你們會(huì)問(wèn)我的第一個(gè)問(wèn)題是，我們一直在談?wù)摰某牧希╩etamaterial）到底是什么？解釋起來(lái)其實(shí)很簡(jiǎn)單。普通材料由原子組成（圖7左），正是原子的特性最終決定了一塊玻璃的性質(zhì)。你看不到單個(gè)原子：你看到的是每個(gè)原子行為的某種平均。你看到玻璃的性質(zhì)是一種非常集體性的響應(yīng)。

然而，材料中的“基本響應(yīng)單元”不必像原子那么小。它們只需要比光的波長(zhǎng)小就行了，所以在原子尺度（ 10 ? 10 米）和光的波長(zhǎng)之間有大量的空間，兩者中間有 1000 倍的差距。這個(gè)空間可以塞入相對(duì)來(lái)說(shuō)很大、足以被人類制造的結(jié)構(gòu)，特別是當(dāng)波長(zhǎng)很長(zhǎng)時(shí)。

在如下例子中，我們所說(shuō)的開(kāi)口諧振環(huán)，它的直徑只有幾毫米，因?yàn)樗菫椴ㄩL(zhǎng)很長(zhǎng)的輻射設(shè)計(jì)的，比如雷達(dá)波（圖7右）。如今許多超材料有更小的結(jié)構(gòu)，因?yàn)槲覀兊墓こ棠芰Ω鼜?qiáng)了，但基本思想都是一樣的，其功能來(lái)自人為設(shè)計(jì)的“超原子”。

圖8 開(kāi)口諧振環(huán)

這是開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)首次被制造出來(lái)（圖8）。該領(lǐng)域得以迅速發(fā)展的原因之一是，這種結(jié)構(gòu)非常容易制造。如果你研究的是雷達(dá)頻段（它也的確是為此目的而設(shè)計(jì)的），那么其整體的尺寸大約是10厘米。你甚至不必自己制作，只需在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)，然后把它發(fā)給制造印刷電路板的公司，他們會(huì)按要求把它蝕刻成你想要的任何形狀或形式。所以，只要有一臺(tái)電腦和一些設(shè)計(jì)軟件，幾乎任何人都可以參與進(jìn)來(lái)。

這是另一個(gè)利用超材料思想實(shí)現(xiàn)極其反常性質(zhì)的結(jié)構(gòu)（圖9）。這里的環(huán)型結(jié)構(gòu)，你可以設(shè)計(jì)它們的形狀使它們具有磁響應(yīng)；還有一些導(dǎo)線（在這個(gè)圖像中你只能看到淡淡的陰影），它們提供電響應(yīng)。這是第一個(gè)同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)都負(fù)響應(yīng)的結(jié)構(gòu)——這正是人們追尋幾十年的東西。結(jié)合起來(lái)，它們產(chǎn)生了負(fù)折射率；換句話說(shuō)，當(dāng)光穿過(guò)這種材料時(shí)，它會(huì)向“錯(cuò)誤”的方向彎曲。

圖9 負(fù)折射 圖源： D. R. Smith, J. B. Pendry, and M. C. K. Wiltshire, Science, 305, 788–792 (2004)

另一個(gè)例子來(lái)自更晚的時(shí)期。這是一種復(fù)合結(jié)構(gòu)，旨在實(shí)現(xiàn)同樣的效果，只是其尺度要小得多——不是厘米級(jí)，而是微米級(jí)，甚至亞微米結(jié)構(gòu)——為紅外波段而設(shè)計(jì)的。它是由加州大學(xué)伯克利分校張翔課題組制造的。

那么，什么是負(fù)折射呢？一個(gè)叫韋謝拉戈（ Victor Veselago ）的俄羅斯物理學(xué)家（他于2018年去世），大約在1960年發(fā)表了一篇論文提出，如果能有一種具有負(fù)折射的材料，它會(huì)有各種瘋狂的性質(zhì)。

圖10 折射與負(fù)折射 圖源： JB Pendry, Contemporary Physics, 07 Aug 2006

正常的折射，一束光線會(huì)偏向法線的另一側(cè)（圖10左紅線）。有一個(gè)公式可以描述角度與介質(zhì)的折射率。而如果是負(fù)折射，光線會(huì)向自身方向偏折（圖10左綠線），因此，它創(chuàng)造了非常奇怪的性質(zhì)。 不深入技術(shù)細(xì)節(jié)，我只舉其中一個(gè)例子： 如果你將一個(gè)光脈沖發(fā)射進(jìn)這樣的介質(zhì)內(nèi)，那么脈沖傳播的方向與波本身傳播的方向是相反的。想象一個(gè)波（圖10右）：這里有一個(gè)包絡(luò)（紅線），包絡(luò)朝某個(gè)方向移動(dòng)（紅箭頭），而波（綠線） 向 反方向蠕動(dòng)，試圖從包絡(luò)的后面出來(lái)（綠箭頭）。這非常非常奇怪。

變換光學(xué)與隱身斗篷

當(dāng)你擁有一個(gè)具有無(wú)窮自由度的超材料時(shí)，你必須有一些方法來(lái)控制它們。怎么進(jìn)行設(shè)計(jì)呢？為此，我們求助于這位先生——愛(ài)因斯坦——我相信你們都認(rèn)識(shí)他。他有一個(gè)理論，即光可以被恒星彎曲。愛(ài)因斯坦說(shuō)空間不是空的。在19世紀(jì)，人們包括科學(xué)家們，對(duì)于空間一詞的理解基本上意味著什么都沒(méi)有，即真空。但愛(ài)因斯坦告訴我們，不，它不是空無(wú)一物的。

空間在很多方面就像一種材料，比如它具有諸如度規(guī)等特性。就光而言，它本質(zhì)上描述了一個(gè)折射率。空間有一個(gè)折射率，你可以改變它。你可以通過(guò)在空間中放置非常重的東西來(lái)改變它。

圖11 引力使光線彎曲

首批證明愛(ài)因斯坦理論是正確的實(shí)驗(yàn)之一，是在日食期間觀察太陽(yáng)對(duì)星光的偏折——否則你看不到那顆星星。這種偏折與愛(ài)因斯坦理論的預(yù)測(cè)一致。我們正是利用愛(ài)因斯坦關(guān)于空間像橡膠一樣的想法，建立了一個(gè)新的設(shè)計(jì)范式。

這是另一幅哈勃望遠(yuǎn)鏡所探測(cè)到的景象（圖12）。這里顯示前景是一個(gè)紅色星系，后面是一個(gè)藍(lán)色星系。如果紅色星系不存在，你會(huì)看到一個(gè)藍(lán)點(diǎn)。但因?yàn)樗谀抢铮凵淞酥車墓猓拖癫Ａ哥R一樣。這說(shuō)明空間確實(shí)有一個(gè)折射率，愛(ài)因斯坦是對(duì)的。

圖12 引力透鏡效應(yīng) 圖源：ESA/Hubble & NASA

這引出了我們所謂的變換光學(xué)（Transformation optics，圖13）。如果我們想控制光線，可以想象它嵌入在一個(gè)橡膠片里，或者行為像橡膠的空間中。為了把光線推到我們想要它去的方向，我們則對(duì)空間進(jìn)行設(shè)計(jì)。記住，你可以像一塊橡膠一樣改變它——拉伸、扭曲，直到嵌入空間中的光線隨橡膠移動(dòng)，并按你希望的方向前進(jìn)。所以如何改動(dòng)材料，光線就移向哪里。如果不扭曲橡膠及其附近區(qū)域，光線就保持原位。這一點(diǎn)在我們接下來(lái)設(shè)計(jì)隱身斗篷時(shí)將起到非常重要的作用。

圖13 控制電磁場(chǎng) 圖源： J. B. Pendry, D. Schurig, and D. R. Smith, Science 312, 1780– 1782(2006).

當(dāng)我們宣布我們可以設(shè)計(jì)一件隱形斗篷時(shí)，引起了相當(dāng)大的震動(dòng)。這張圖說(shuō)明了設(shè)計(jì)斗篷的挑戰(zhàn)（圖14）。大多數(shù)隱形技術(shù)依賴于物體盡可能不反射光，這在軍事裝備的戰(zhàn)斗機(jī)和轟炸機(jī)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用。但“變黑”還不夠，因?yàn)榧词故峭耆话l(fā)光的東西，它仍有影子。

你們中有些人可能知道彼得·潘的故事。彼得·潘是一個(gè)失去了影子的小男孩。當(dāng)他失去影子時(shí)，他不僅是“黑色 ” 的，而且是隱形的。那么我們?nèi)绾巫層白酉兀?/p>

圖14 彼得·潘“變黑”還不夠，他要完全隱形

答案是需要運(yùn)用變換光學(xué)（圖15）。它的基本思想是，不能觸碰這個(gè)球體的內(nèi)部，所以你不能在這里扭曲任何東西；你也不能扭曲斗篷外部的光線路徑，因?yàn)楣饩€必須像“什么都沒(méi)有時(shí)”那樣前進(jìn)，只是現(xiàn)在那里有東西了。你能“動(dòng)手腳”的地方，是圍繞球體的漸變區(qū)域。現(xiàn)在，把這塊區(qū)域想象成橡膠，我們來(lái)操縱它拉伸、扭動(dòng)它，直到所有的光線都被從內(nèi)部區(qū)域排出，并集中在斗篷內(nèi)，而球體內(nèi)部和斗篷外部的空間不做任何改變。

圖15 使用變換光學(xué)實(shí)現(xiàn)隱形 圖源： J. B. Pendry, D. Schurig, and D. R. Smith, Science 312, 1780–1782 (2006).

你可能會(huì)認(rèn)為，讓這些光線沿著一條軌跡傳播，最終出射的方向和那里什么物體都沒(méi)有時(shí)一模一樣，設(shè)計(jì)出這樣的東西是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。確實(shí)如此，但當(dāng)掌握了變換光學(xué)這項(xiàng)技術(shù)，我們能夠非常容易地設(shè)計(jì)出隱形斗篷，可以明確寫(xiě)出斗篷的公式。事實(shí)證明，這是超材料和變換光學(xué)一個(gè)很好的“賣點(diǎn)”。因?yàn)槿藗円庾R(shí)到，如果能如此簡(jiǎn)單地解決這個(gè)看起來(lái)幾乎不可能的任務(wù)，那么這些方法或許可以輕松應(yīng)對(duì)更簡(jiǎn)單的問(wèn)題。事實(shí)也確實(shí)如此。

接下來(lái)我將討論負(fù)折射，它同樣引起了一些爭(zhēng)議。韋謝拉戈早就意識(shí)到，如果光線能在負(fù)折射介質(zhì)中向“錯(cuò)誤”的方向彎曲，它不可避免地會(huì)在該介質(zhì)中聚焦。

圖16 韋謝拉戈的透鏡，它可以變完美。圖源： JB Pendry Phys. Rev. Let.85, 3966-9(2000).

這些光線向“錯(cuò)誤”的方向彎曲，然后聚焦（圖16）。順便說(shuō)一下，它們還會(huì)聚焦在第二個(gè)點(diǎn)上。韋謝拉戈知道負(fù)折射材料可以制作透鏡。唯一的問(wèn)題是，他寫(xiě)下那篇論文的時(shí)候，還沒(méi)有這樣的材料，這種情況一直持續(xù)到超材料出現(xiàn)。

在我早先的演講中，曾提到一個(gè)下雨的星期天早晨。那天早上，我一直在思考這個(gè)透鏡。我突然意識(shí)到一個(gè)很早就有的定律——阿貝定律，并不總是成立。該定律說(shuō)，用普通顯微鏡，你看不到任何小于光的波長(zhǎng)的東西 。可見(jiàn)光的波長(zhǎng)大約是500納米， 看起來(lái)非常小，但這正是細(xì)胞開(kāi)始變得有趣的尺寸。我們無(wú)法用普通顯微鏡看到細(xì)胞內(nèi)部，因?yàn)樗鼰o(wú)法分辨里面的東西。阿貝定律曾被認(rèn)為是一條鐵律，而在那個(gè)下雨的星期天早晨，我意識(shí)到，人們并沒(méi)有完全理解韋謝拉戈的透鏡。如果能用正確的方式制作它，這個(gè)透鏡將是完美的，但前提是必須以完全正確的方式制作它。

圖17 近場(chǎng)超透鏡實(shí)驗(yàn) 圖源： Nicholas Fang, Hyesog Lee, Cheng Sun, Xiang Zhang, Science 308, 534–537 (2005).

圖17展示了它的一個(gè)近似，同樣是由伯克利的 張翔 實(shí)驗(yàn)室制成。他們用銀（Ag）制作了一個(gè)透鏡，下面是一個(gè)間隔層（PMMA），再下面是他們要看的東西——一塊鉻（Cr）。由于這些東西太小，顯微鏡無(wú)法看到，你實(shí)際上必須把它們“寫(xiě)”在一種材料上，我們稱之為光刻膠。光從下方箭頭指示的方向入射，波長(zhǎng)是365納米，而你想看的東西只有幾十納米大小。效果如何呢？圖17的右側(cè)是光柵的圖像，你可以看到，盡管光柵的結(jié)構(gòu)尺度在60納米左右，但這種技術(shù)可以分辨它了。

圖18 通過(guò)銀超透鏡成像 圖源：Science 308, 534–537 (2005).

更令人印象深刻的是圖18，你可以看到鉻層上刻著“NANO”這個(gè)詞，標(biāo)尺為2微米。其中（C）是沒(méi)有任何透鏡時(shí)看到的情況，而如果放上銀透鏡（B），就像戴上眼鏡一樣，一切都清晰對(duì)焦了。右圖是一個(gè)掃描結(jié)果，顯示實(shí)際上已經(jīng)將分辨率從大約320納米提高到了90納米。當(dāng)然這還稱不上完美，但已經(jīng)好多了。

超材料的實(shí)際應(yīng)用

現(xiàn)在，在這次演講剩下的時(shí)間里，我想向大家展示我們從愛(ài)因斯坦和麥克斯韋方程組的原理出發(fā)做的一些有趣實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)是對(duì)理論很好 地 演示，在這個(gè)階段并非為實(shí)用目的而設(shè)計(jì)，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明它們可以轉(zhuǎn)化為實(shí)際的產(chǎn)品。我想用剩下的時(shí)間快速瀏覽一些超材料所催生的應(yīng)用案例。

圖19 遙控車與相控陣 圖源： Echodyne

圖19展示的是一個(gè)早期的應(yīng)用。一輛遙控車需要與衛(wèi)星通信。傳統(tǒng)的做法是使用衛(wèi)星天線，它很重，并且必須可轉(zhuǎn)向以跟蹤衛(wèi)星的位置。一種更好的解決方案是使用所謂的相控陣。后者通常非常昂貴，因?yàn)樗紳M了晶體管。而這里的相控陣是由超材料制成的，事實(shí)證明，你可以在不進(jìn)行任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)的情況下，輕松改變超材料的性質(zhì)，從而讓它指向天空中的任意方向。

Echodyne 公司也在開(kāi)發(fā)同樣的技術(shù)，用于改善機(jī)場(chǎng)安檢。現(xiàn)在你必須接受太赫茲掃描：走進(jìn)這臺(tái)機(jī)器，東西來(lái)回轉(zhuǎn)，非常麻煩。有了他們的技術(shù)，你只需從機(jī)器旁邊走過(guò)，同時(shí)完成掃描。沒(méi)有問(wèn)題就直接通過(guò)，有問(wèn)題則被攔下。

圖20 使用超材料制成“導(dǎo)磁線” 圖源： Richard Syms

這一技術(shù)也被應(yīng)用于核磁共振成像（圖20）。圖中是我的同事理查德·西姆斯（Richard Syms）。他正在開(kāi)發(fā)提高核磁共振成像掃描速度的新技術(shù)。核磁成像接 收 的信號(hào)是磁共振，一個(gè)美麗、純凈的磁場(chǎng)。在現(xiàn)有技術(shù)中，我們立即將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，而這樣的信號(hào)轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過(guò)一個(gè)非常嘈雜的環(huán)境。理查德的想法是保持磁性，并設(shè)計(jì)一種非傳統(tǒng)的導(dǎo)線——不是傳導(dǎo)電子，而是傳導(dǎo)磁性的導(dǎo)線，這樣就能保持信號(hào)純凈。你可以獲得更低的 噪音 水平。掃描將從20分鐘縮短到2分鐘左右，這樣就能做更多掃描。這是超材料帶來(lái)的另一件有實(shí)用價(jià)值的成果。

再舉一個(gè)例子，一種產(chǎn)生太赫茲輻射的裝置，在我提到的掃描技術(shù)中便會(huì)使用這樣的輻射發(fā)射裝置。原本產(chǎn)生太赫茲波的裝置，并不擅長(zhǎng)將波發(fā)送至給定的地方。在其上方，你可以構(gòu)建一個(gè)超材料結(jié)構(gòu)，它非常擅長(zhǎng)從該裝置中提取能量。這項(xiàng)工作來(lái)自哈佛大學(xué)的費(fèi)德里科·卡帕索（ Federico Capasso ）的課題組。

哈佛大學(xué)課題組的另一個(gè)得意之作是制造極薄的透鏡。這不是開(kāi)口諧振環(huán)，而是類似半開(kāi)口諧振環(huán)的結(jié)構(gòu)，其中有一些亞波長(zhǎng)尺度的小諧振器，你可以看到它們改變了方向和形狀，其目的是改變透鏡的折射率。與普通透鏡的不同之處在于，這種透鏡可以只有幾納米厚。你可以用超材料制造極其薄的透鏡。

圖21 超材料透鏡 圖源： N. Yu, et al., Science, 334, 333–337 (2011) .

還有什么應(yīng)用呢？你們應(yīng)該看看這個(gè)。Kymeta，另一家制造超材料的公司，把衛(wèi)星通信天線放在了一些豐田汽車的頂部。我不知道如今進(jìn)展如何，但這輛車從洛杉磯開(kāi)到了密歇根，整個(gè)過(guò)程豐田總部一直與它保持聯(lián)系。或許有一天你的車頂上會(huì)有這樣的天線，能持續(xù)與任何人保持聯(lián)系。至于你是否喜歡這樣做，則是另一個(gè)問(wèn)題了。

圖22 Kymeta攜手豐田打造超材料衛(wèi)星通信 圖源： TOYOTA MOTOR CORPORATION

還有許多的聲學(xué)超材料。下面這個(gè)面板不控制電磁波，而是旨在控制聲音（圖23）。聲音是一種波，而超材料幾乎可以控制任何你喜歡的波。這個(gè)面板充滿了小的諧振器，雖然肉眼幾乎不可見(jiàn)，但它們確實(shí)存在。這個(gè)面板能阻隔聲音，布里斯托爾的一家公司已經(jīng)將其投入市場(chǎng)，用于醫(yī)院，在重 癥 患者的床邊創(chuàng)造一個(gè)靜音區(qū)。

圖23 醫(yī)院測(cè)試降噪超材料 圖源： University of Sussex

日產(chǎn)汽車也在開(kāi)發(fā)類似的技術(shù)，使用超材料諧振器來(lái)控制汽車內(nèi)的道路噪音（圖24）。汽車在高速公路上高速行駛時(shí)的主要噪音來(lái)源是道路噪音，而超材料可以幫助消除它。

圖24 日產(chǎn)開(kāi)發(fā)輕質(zhì)聲學(xué)超材料以減少道路噪音 圖源： Nissan Motor Co., Ltd.

最后，我想提及一些真正超前的想法。我以前的博士后 Sebastien Guenneau 有一個(gè)想法。地震波也是一種波，那么，如果你能把它從像核電站這樣非常敏感的目標(biāo)引開(kāi)，那應(yīng)該是很有價(jià)值的。這里展示的是一種非常粗糙的超材料，通過(guò)在地面鉆孔制成（圖25）。在藍(lán)色輪廓區(qū)域內(nèi)，你勉強(qiáng)能看到這些孔。在這個(gè)階段它還不是“隱身斗篷”，但 核心問(wèn)題是 ，這個(gè)結(jié)構(gòu)是否會(huì)改變波在地球中傳播的方式。 Sebastian 說(shuō)服了一家石油公司借給他這臺(tái)重?fù)糗嚒Ｖ匚锉坏跗鸷舐湎拢負(fù)舻孛娌l(fā)出波。然后他們測(cè)試這個(gè)結(jié)構(gòu)是否把這些波送到我們?cè)噲D送達(dá)的地方？答案是肯定的：結(jié)果已發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

圖25 地震超材料實(shí)驗(yàn) 圖源： Phys. Rev. Lett. 112, 133901(2014)

恐怕我沒(méi)有時(shí)間詳細(xì)解釋接下來(lái)的例子了（圖26）。所以我大致談?wù)劤牧系南乱徊绞鞘裁矗砍牧显诳臻g上是結(jié)構(gòu)化的，這正是它們獨(dú)特性質(zhì)的來(lái)源。但還有另一個(gè)維度——時(shí)間的維度。如果我們能在時(shí)間上非常快地改變材料，那將強(qiáng)烈影響穿過(guò)它的輻射。

圖26 隨時(shí)間變化的超材料 圖源： J. B. Pendry, E. Galiffi, and P. A. Huidobro, “Gain mechanism in time-dependent media,” Optica 8, 636–637(2021) .

想象一下，你對(duì)折射率進(jìn)行了某種調(diào)制，那會(huì)影響光的傳播方式。如果你還能讓這種調(diào)制隨著時(shí)間改變，那將產(chǎn)生非常不同的效果。

關(guān)鍵在于，如果你開(kāi)始擺弄時(shí)間，你就打破了對(duì)于不隨時(shí)間變化的事物所遵循的一條非常嚴(yán)格的定律——能量守恒。 當(dāng)系統(tǒng)不隨時(shí)間變化時(shí) ，物理方程在時(shí)間上是可逆的。所以你可以讓事物“向前”發(fā)展，也可以“向后”。這既是優(yōu)點(diǎn)也是缺點(diǎn)。如果系統(tǒng)隨時(shí)間變化，這條定律就被打破了，至少不是原來(lái)的形式。你可能找到其他定律，但你缺少了能量守恒那條。你可以制造這樣的結(jié)構(gòu)，它將接收一個(gè)普通的平面波，壓縮它，把能量注入其中。

在倫敦，我們正在探索這些時(shí)間晶體的可能性，它們將比常規(guī)超材料做出更非凡的事情。

那么，就以此圖（圖27）為結(jié)尾吧，感謝你們的關(guān)注。我已經(jīng)超時(shí)了。謝謝大家。

圖27 約翰·彭德里以此頁(yè)P(yáng)PT為結(jié)尾。超材料與變換光學(xué)為電磁學(xué)開(kāi)辟了新視野，實(shí)現(xiàn)了以下功能：無(wú)法或難以通過(guò)天然材料實(shí)現(xiàn)的材料特性；在所有長(zhǎng)度尺度下（低至幾納米）對(duì)光的控制；提供用于5G信號(hào)的手機(jī)天線；用于生物應(yīng)用的亞波長(zhǎng)顯微鏡目前正在開(kāi)發(fā)中；低成本高效控制太赫茲輻射，如汽車防碰撞雷達(dá)和衛(wèi)星天線；安全高效地從人體內(nèi)部傳輸MRI信號(hào)；軍事機(jī)密應(yīng)用。

本文譯自 John Pendry , My Life in Science , The 2024 Kyoto Prize Commemorative Lecture ，原文地址 https://www.kyotoprize.org/wp-content/uploads/2025/10/2024_pendry_en.pdf ，演講視頻地址： https://www.youtube.com/watch?v=73GCQKg1_oM

文章轉(zhuǎn)載自“返樸”微信公眾號(hào)