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《纳米粒子有望使隐形斗篷成为现实》

  • 来源专题：纳米科技
  • 发布时间：2016-07-27

  • 英国伦敦专家最新研制一种材料，喷涂在物体表面可使它们“完全消失”。该材料是由纳米微粒构成，它能够弯曲物体表面，使电磁波“变平”。这种复合纳米材料具有7个不同层结构，每层的电属性取决于它们的位置。所有各层的结合效应可能“隐藏”物体，这意味着该材料可以隐藏物体，使入射电磁波散射开来。

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相关报告

  • 《Nature子刊：未来的数据存储技术！通过隐形斗篷成像的磁性纳米结构》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2018-10-24
    • 磁数据存储旨在在芯片结构中反复发送小磁位，并将它们密集存储后读出。然而，当要求产生特别微小的位时，磁杂散场会产生问题。近日，Max Born Institute（MBI），麻省理工学院（MIT）和DESY的研究人员通过在磁性结构上设置“隐形斗篷”，利用小而可移动的比特减少磁杂散场。该研究成果已发表在Nature Nanotechnology上。 物理学表明，磁性与原子中电子的旋转运动密切相关。围绕原子核以及绕自身轴旋转，电子产生原子磁矩。与该磁矩相关的磁杂散场的应用，例如用来固定插板上的音符的磁棒。这种现象也是磁杂散场，用于从磁性硬盘驱动器读取信息。现今的硬盘中，单个磁性钻头的尺寸约为15x45nm。 用于磁性存储数据的新颖概念，是通过电流脉冲在存储器芯片中来回发送磁性位，以便将它们存储在芯片中的合适位置后用于检索。磁杂散场能够防止比特变得更小，以便更加密集地封装信息。另一方面，杂散场下面的磁矩需要能够移动结构。 研究人员通过在磁性纳米结构上放置一个“隐形斗篷”并观察这些结构可以达到最小尺寸及最快速度。为此，将具有反向电子旋转的不同原子组合在一种材料中。通过这种方式，可以减少甚至完全消除磁杂散场。虽然，单个原子仍然带有磁矩但是一起被隐形。 尽管能够隐形，科学家仍能够对这些微小的结构进行成像。通过X射线全息术，他们能够选择性地仅使其中一个构成元素的磁矩可见，这样即使是隐形斗篷，也可以记录图像。 很明显，对隐形斗篷强度的微调能够同时满足两个目标，而这两个目标对数据存储的应用是至关重要的。 MBI的Bastian Pfau博士表示：“在图像中，我们看到了非常小的磁盘状磁性结构，最小的结构直径只有10nm”。 如果能够使用这种结构对数据进行编码，那么现今的硬盘驱动器的信息密度可能会显着增加。此外，在测量中，研究人员发现适当的隐形位可以通过短电流脉冲特别快地移动，这在存储器件的实际使用中是一种重要特性。 MBI的Stefan Eisebitt教授解释道：“这可能是量子物理学的结果。围绕原子核的电子轨道对磁矩的贡献只是电子围绕其自身轴旋转的一半。” 将不同的原子与这种旋转的不同方向和强度组合时，可以消除系统的总旋转，同时能够保持小的磁矩。当通过电流脉冲移动结构时角动量会产生阻力，而这种方法能够实现高速运动。因此，通过调整隐形斗篷的强度，可以实现磁位结构的小尺寸和高速度，这是新颖的磁数据存储的良好前景。
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  • 《好好利用这种材料 披上隐身斗篷的难度将大大降低》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2022-01-27
    • 春节假期将近，北京环球度假区即将迎来大波游客，在其一众主题园区中，哈利·波特的魔法世界拥有众多拥趸。如果要问魔法世界中的什么最吸引人，也许很多人的回答是：隐身斗篷。 　　在武侠或者科幻题材作品中，关于隐身术的描绘总令人浮想联翩，成为许多人幻想拥有的超能力。若能在茫茫人海中隐匿自己，或利用隐身术制造一些空中悬物的“恶作剧”，光想想就很酷。那么，是否有什么手段和方法能让我们如愿实现隐身呢？从科学角度来说，答案是肯定的。 　　隐身术即“低可探测技术” 　　从某种程度上说，隐身术已经较为成熟地应用于军事领域。不过这里所说的隐身术准确来说应该叫“低可探测技术”，即利用各种不同的技术手段来改变目标物可探测性信息特征。 　　此类技术手段包括采用独特设计的吸波、透波材料降低目标物对电磁波、光波的反射；采取隔热、散热措施减弱目标物的红外辐射；通过折射光线使人眼无法察觉目标物，使其降低被发现的可能；在军用飞机、舰艇、火箭弹上采用雷达隐身材料、红外隐身材料等使目标物躲过侦查仪器，实现隐身效果等。 　　不过此类隐身与人类所畅想的隐身超能力尚有差别，毕竟要实现人的隐身需要躲过的不仅仅是各类侦查仪器，还要躲过最精密的人眼，技术难度可想而知。 　　隐身材料是研发关键点 　　2006年，英国帝国理工学院的物理学家约翰·彭德里等人分别提出了电磁隐身斗篷的理论，受到人们广泛的关注。 　　科学家发现，当材料介电常数和磁导率满足一定关系时，电磁波在介质中会沿给定的曲线传播，并且不产生反射，从而模拟出扭曲的时空。 　　这意味着人类可以通过精确设计，实现对电磁波的自由操控。通过借鉴变换光学理论，科学家预言了热隐身斗篷：即利用人为改造微结构的超材料，改变波的传播路线，使其绕过物体，从而使该物体隐身。 　　自此，隐身衣的研制开始成为电磁学、物理学、光学、材料科学及交叉学科最前沿和最热门的研究领域之一。基于超材料支撑的变换光学也成为物理学界的热门话题。 　　根据理论，隐身材料是隐身技术发展的关键。约翰·彭德里此前在接受媒体采访时表示，变换光学器件需要的材料参数对于天然材料来说相当苛刻，甚至难以实现，超材料为实现变换光学器件制备提供了更简易的可能。可以说，超材料的出现和发展，推动了在隐身研究领域中广泛传播的制作隐身斗篷的热情。 　　理想状况下，人为调节参数一定可以设计并制造出性能特异的吸波材料，从而设计和实现许多具有不同功能的器件，例如隐身斗篷、光学错觉装置、旋转器等。但实际操作中，为了实现隐身效果，通常需要简化电磁参数以避免电磁参数出现无限大或负数的情况，且还需要用复杂结构等效出梯度折射率材料，这些过程需要昂贵的光刻技术和繁琐的制造方法，并且最终的实际效果也会因存在种种局限而大打折扣。因此，超材料真正成为隐身材料还有一定的距离要走。 　　不用超材料也可实现隐身 　　面对超材料目前存在的局限性，科学家们又有了新突破。 　　近日，厦门大学物理科学与技术学院陈焕阳课题组联合其他研究人员在研究中发现，使用一种常见的二维天然材料三氧化钼（α-MoO3）制造隐身装置，可以达到超材料实现的隐身效果。这意味着，未来制造隐身设备的门槛会大幅降低，许多科幻电影、小说中描述的情形将有望在现实中出现。该研究成果发表在国际期刊《纳米光子学》杂志上。 　　研究人员发现，当把三氧化钼薄片卷在圆柱形光纤上时，在中红外电磁照明下的物体从视觉上消失了。这项最新模拟计算表明，天然材料三氧化钼具备超材料的特性，无需复杂加工即可成为理想的隐身材料。 　　陈焕阳解释，达到结构的法布里—珀罗共振的光能够以极小的散射通过三氧化钼隐身聚光器传播，并且能量在中心处得到加强，达 　　到隐藏电磁照明下的物体的目的，即隐身。“三氧化钼把光沿着一定方向挤压进内核，相当于把光抓进了物体内，如果折射率和阻抗匹配，就感觉内核不存在，产生了隐身的效果。”陈焕阳说。 　　此外，利用三氧化钼代替超材料制造的新兴隐身器件在特定光源位置还表现出错觉效应，使得人无法通过外场判断光源的真实位置。 　　天然材料优势多多 　　“这是二维材料首次被用于变换光学器件的设计，通常我们需要超材料，但这次要简单得多。”陈焕阳介绍，人们通常认为，实现完美的隐身效果很大程度上要依赖人造材料，这次实验的成果为天然二维材料替代超材料制造隐身器件提供了新的可能。而且相比超材料，这种材料具有更多价格和制作上的优势。 　　除此之外，传统的超材料存在跨尺度制备难题。比如超材料人工原子为纳米结构，因此毫米尺寸器件涉及跨尺度制备，其计算、设计和制备都非常困难。而真正投入应用的隐身器件例如隐身斗篷，其尺寸一般更大，制备难度可想而知。利用二维层状材料，特别是具备光学各向异性的二维层状材料，作为类似人工超材料的基本构筑单元，可以突破跨尺度制备难题。 　　该研究结果表明，双曲材料作为变换光学的新的材料基础，可以产生更多超越隐形聚光器的新纳米光子概念，如多频超散射、变换等离激元学等。 　　这项研究在初步实验中取得令人满意的结果，不过仍然处于验证阶段。“各向异性和渐变是超材料的特性，也是变换光学所需要的，如果二维材料也能实现类似的调控，将是一个非常有前景的领域。”陈焕阳介绍，在一些研究人员合作进行的另一项研究中，研究人员合作构筑的叠层结构，已经可以通过控制两片三氧化钼晶体的叠层转角，从光学上实现从椭圆色散到双曲色散的各向异性连续调控。虽然目前渐变调控还存在困难，但相信不久的将来，这些难题能够被攻破。 　　研究人员表示，如果这些科学问题都能解决，也许可以催生一个变换等离激元学的新研究方向。这些课题目前都是偏应用基础性的研究，在产业和商业化应用上还有相当长的一段路要走，但毋庸置疑，新材料及其新特性的发现一定会带来一些新的应用。
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