材料界的超級英雄. 超材料粉墨登場

藉由費馬原理（Fermat principle）可導出反射定律與司乃耳定律（Snell's Law），當理解光的路徑模式之後便能運用在各種觀測、成像的場合，我們可以經由 ... GetunlimitedaccessOpeninappHomeNotificationsListsStoriesWrite材料界的超級英雄超材料粉墨登場引自https://jmqmil.sina.cn/ifeng/doc-ifykuftz6082629.d.html文/王宇航編/陳庭亞「光」的概念在不同宗教與文化背景下常有不同定義，但在科學的世界裡，前人所提及的光不過是電磁波譜上人類剛好可以看見的某個頻段而已。

物理上，人類視覺能夠辨識的電磁波稱作可見光，波長約是400~700奈米之間，隨著科技演變與發達，電磁波的概念也被研究得越來越透徹，近年來也發掘的其他不同頻段的電磁波，例如紅外光、紫外光等。

光的概念從可見光漸漸延伸至整個光譜，也有越來越多人去探究其中性質。

舉凡現在的科技產品，不乏利用電磁波特殊性質的應用：利用感應熱輻射的紅外光的夜視工具、醫療用途中利用能穿透人體的X光、能繞過障礙物的無線電波也被廣泛使用在廣播系統，但光譜上仍有許多頻段是尚未被開發的，不管是基於物理或是技術的限制。

為此，研究電磁波的行為模式便成了一切的基礎，從早期的光微粒說、光波動說，至於目前廣為人知的波粒二相性(wave–particleduality)。

隨著電磁波的全貌越被揭露，能被我們應用在生活中的機會越大。

藉由費馬原理（Fermatprinciple）可導出反射定律與司乃耳定律（Snell’sLaw），當理解光的路徑模式之後便能運用在各種觀測、成像的場合，我們可以經由調整形狀或材料等參數獲取我們所想要的結果，而這些現象追根究柢，皆為電磁波與物質內部的電子交互反應的結果。

換句話說，若有個方式可以控制物質內電子的行為，則人類便能更自由地操控光線。

想當然爾，以目前技術基本上是無法一個口令就讓電子排排站好供我們使喚，但某些科學家們便轉了個彎換個做法——模擬出一群可以好好聽話的電子。

雖然說是模擬電子，但實際上是把整體的尺度放大，讓一群比波長還要小的共振單元們跟電磁波交互反應，以達到我們所想要的結果。

若要用更清晰的舉例，可以把電磁波想像成一條涓涓細流，若這條水流遇到了一顆小石子，那理應會若無其事地流過去，但倘若是遇到一大群小石子（如同電磁波遇到電子般），則會根據小石子的排列、形狀以及其他條件而造成不同的水流情況，就如同電磁波與電子交互作用完的結果。

而如今，我們沒辦法去精細控制小石子的排列擺置，那我們便是設計一群大石頭，並且將原本的涓涓細流（短波長）換成大江大河（長波長），如此我們便能操作這些大水流。

而以這種概念所設計出的材料，便是我們所稱的「超材料」(metamaterial)。

簡而言之，超材料是一種可經由設計以達到特殊性質的人工材料，它有以下幾種特點：自然界中的材料由原子、分子構成，而超材料則由不同的共振結構單元人為構成。

引自http://html.rhhz.net/kjdb/2016-18-14.htm1.人工製成，不存在於自然界。

2.每共振單元的大小尺度小於波長。

3.能具有自然界鮮少有的特定性質。

4.其性質主要因其特殊結構所致。

當電磁波經過特殊設計的共振圖形之後，能夠誘發相對應的電場與磁場，進而改變電磁波的傳播情況。

廣義地說，超材料可以指任何合成材料，而這些材料具有不尋常的光學屬性和奇異的性質。

目前根據超材料的特殊性質而研發的許多新材料之中，最常被廣泛討論是「負折射超材料」。

負折射超材料（Negative-indexmetamaterial,NIM）是一種人造的光學結構，它的折射率對於一定頻率範圍內的電磁波是負值，且目前沒有任何天然材料擁有這一屬性。

這種負折射的性質，會致使電磁波朝著與能量完全相反的方向傳播，若直觀來看，會如同下圖中水裡的吸管，朝反方向偏折過去。

左側為正常的水，右側為假想的透明負折射率液體材料，引自http://html.rhhz.net/kjdb/2016-18-14.htm原理：在提到負折射率之前，是必須要先了解折射率是如何而來。

定義上，折射率代表的是「光在真空中的速度」跟「光在介質中的相速度」之比值，可以簡單解釋成電磁波在這介質內部跟在真空傳遞的差別有多大。

而這個差別的來由便是電磁波與介質內粒子的交互關係，畢竟真空中的電磁波如邊緣人般沒有物質可以與它反應。

接著，既然電磁波包含了「電」與「磁」，那交互反應也可以分成這兩個部分。

為描述電場的反應狀況，我們以電容率ε，代表了電子對電場的反應程度。

另一方面，若要描述磁場的反應狀況，我們以磁導率μ，代表電子對磁場的反應程度。

若我們可以將電磁波的反應程度量化，也表示這兩個物理量可以表達電磁波在介質與真空中傳遞的差異，換句話說，折射率可以用ε與μ表示，因此折射率會滿足這簡單個關係式：n=±√𝜇𝜀，對於大部分的材料而言，電容率和磁導率都是正值。

如果ε及μ都是負的，則n也必須要選取負的值。

這麼一來，ε及μ都是負值的材料，就是負折射率材料。

為獲得這種負的電容率與磁導率，關鍵在於如何控制材料的「共振(resonance)」。

共振就是材料會傾向以特定頻率振動，而一般而言電磁波對材料的共振響應會提供正直的電容率與磁導率，這也是為何自然界難以找到負折射率材料的原因之一。

因此，藉由人為設計的超材料，利用小線圈來模擬材料的電磁反應，這也是為何共振單元尺度需與電磁波波長相互配合。

常見的共振單元如分裂環共振器（split-ringresonator,SRR），其結構可與電磁波作用引發電流，達到模擬電磁波在經體內的交互情形。

分裂環共振器（split-ringresonator,SRR)，引自https://en.wikipedia.org/wiki/Split-ring_resonator應用：在超材料的概念被提出之後，其無窮的潛能也被各研究領域所看上：光學上，利用超材料能改變光線折射的性質，可以做到如科幻小說中隱形斗篷的效果，抑或是在軍事上能成為隱蔽飛行機的手段之一。

另外，其負折射率的特性，能夠打破傳統透鏡繞射極限的限制，可達到目前傳統透鏡無法觸及的突破，並捕捉到物體更細部的資訊；聲學上，已有研究團隊研發出利用超材料設計出的吸音材料，對未來建築上的應用有不小的可能性；另外也有研究團隊正在研發超大型材料，可轉移並減弱物體周遭的波動能，對地震預防有非常大的潛力。

(圖左)探測波會繞過隱形斗篷所覆蓋的物體繼續沿著入射方向進行傳播(圖右)負折射透鏡成像示意圖，引自http://html.rhhz.net/kjdb/2016-18-14.htm未來展望：關於超材料的研究領域發展迅速，其應用也覆蓋了軍事、民用等多種領域，如何在已有的電磁超材料、光學超材料的基礎上，發展新型的超材料，克服傳統材料的物質結構限制，是未來發展的主流方向。

同時，超材料的出現正逐步的打破一些曾經被認為已經徹底了解的基本現象（如繞射極限），使得科學家們需要將整個學科重新審視一遍，在負折射材料的背景下，有了出乎意料的新轉折。

最後，該如何將超材料及負折射材料的神奇特性轉變成有用的技術，依然是個有待解決的難題，這牽涉到如何使超材料的設計趨於完美，以及如何以一定的價格製造它們。

在這個領域從事研究的許多小組，正為了克服這些挑戰而努力著。

作者/王宇航最近身體狀況不佳，醫生說要早睡，但自從養了貓便不再一夜好眠。

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