“超材料”相機：讓機場安檢變得更方便
今年1月份，史密斯的團隊宣布，他們已經(jīng)研發(fā)出了另外一款“超材料”設(shè)備：一臺不需要鏡頭或任何移動零件就能制造出微波壓縮圖像的相機，這一設(shè)備或許有助于降低機場安檢的成本和復(fù)雜性。
在目前的機場安檢內(nèi)，掃描設(shè)備必須對物體周圍或物體之上的一臺微波傳感器進行徹底掃描，這會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，而在對這些數(shù)據(jù)進行處理之前，必須要將其存儲起來，而杜克大學(xué)的研究團隊研制出的設(shè)備則不需要存儲很多數(shù)據(jù)。該設(shè)備會朝物體以10次/秒的速度發(fā)送多種波長的微波束，從而為物體拍攝多張快照。當(dāng)微波被物體反射回來后，會落在一條纖薄而狹窄的四方形銅質(zhì)“超材料”元件上，每一塊元件能被調(diào)諧，從而或阻止或讓反射的輻射通過。每塊元件會將一張被掃描物體的簡化快照傳輸進一個傳感器內(nèi)，傳感器再對每幅快照發(fā)出的輻射總強度進行測量，隨后輸出一系列數(shù)值，這些數(shù)值能被進行數(shù)字化處理，從而構(gòu)建出一張該物體經(jīng)過高度壓縮的圖像。
不過，史密斯團隊也承認(rèn)，這僅僅邁出了第一步。迄今為止，展示出的圖像都很粗糙，只是簡單的金屬物體的二維圖像。德里斯科爾表示，獲得復(fù)雜物體的三維圖像是科學(xué)家們面臨的巨大挑戰(zhàn)。但是，如果這一挑戰(zhàn)能被克服，機場或許會讓目前笨重且昂貴的安檢設(shè)備下崗，用大量纖薄廉價且同計算機緊密相連的“超材料”照相機來代替。德里斯科爾表示，這一轉(zhuǎn)變有望讓安檢掃描擴展到機場的各個房間、過道、走道以及其他敏感的設(shè)施內(nèi)。
史密斯團隊目前的主要目標(biāo)是研發(fā)出一種堅固且有市場潛力的“超材料”設(shè)備，其并不局限于無線電、微波或紅外波長。如果這一技術(shù)能同可見光合作，它們將變得更有用，可以用于光纖通訊或面向消費者的照相機和顯示器內(nèi)。
史密斯研究團隊的史蒂芬·拉潤徹表示：“要做到這一點并不容易”。他解釋道，對于任何給定類型的光波，只有元件及其之間的間隔比該光波的波長小，“超材料”才能施展和發(fā)揮它們神奇的能力。因此，我們使用的波長越短，“超材料”元件的塊頭就應(yīng)該越小。
在光譜的微波和無線電區(qū)域內(nèi)，做到這一點相對來說還比較容易：這一范圍的波長從幾分米到幾米不等；但一款光學(xué)的“超材料”元件的測量單位則低至微米以下。不過，拉潤徹表示，這也并非不可能，今天的高性能微芯片內(nèi)就包含有僅僅幾十納米寬的零件，不過，與這些從本質(zhì)上來說靜止不變的零件不同，很多應(yīng)用領(lǐng)域里使用的“超材料”元件需要通過軟件來按需改變其屬性，所以，這也大大增加了其制造難度。
“超級鏡頭”能平面聚焦
盡管存在不少困難，但科學(xué)家們已經(jīng)開始著手設(shè)計一些能發(fā)揮作用的光學(xué)“超材料”元件。例如，今年3月份，美國南安普敦大學(xué)光電研究中心副主任、物理學(xué)家尼古拉·正路德福領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊發(fā)表文章稱，他們新研制的納米“超材料”零件由電控制，能顯著提升傳輸或反射光波的能力，這些超材料零件由金薄膜蝕刻而成，這種設(shè)備有望成為高速光纖通訊網(wǎng)絡(luò)中的開關(guān)。
與此同時，因為在光學(xué)尺度上很難制造出三維“超材料”陣列并對其進行控制，所以，有些研究人員轉(zhuǎn)而開始專注于研究二維的“超表面”。
2012年8月，美國哈佛大學(xué)的實驗物理學(xué)家費德里科·卡帕索展示了一款平面的“超材料”鏡頭，其能像玻璃鏡頭那樣，將紅外線聚焦到一點上？ㄅ了鞅硎荆骸拔也桓艺f這完全是新鮮事物，但我相信，我們是全球首個將平面光學(xué)用于商業(yè)產(chǎn)品的團隊！
傳統(tǒng)鏡頭通過讓光穿過不同厚度的玻璃產(chǎn)生的折射從而讓光聚焦到一點，而卡帕索團隊研制出的鏡頭則讓光通過一個金“超材料”元件組成的二維陣列做到這一點。這一“超材料”元件陣列由為微芯片工業(yè)而研發(fā)的電子束光刻技術(shù)從一塊60納米厚的硅晶圓上蝕刻出來。金元件被固定，因此，裝配后不能再被調(diào)整。但是，通過在制造過程中選擇特定的大小和間距，物理學(xué)家們能讓給定波長的光以精確的方式正確地聚焦到某一點上。
不過，卡帕索警告稱，這樣的平面鏡頭距離商用或許仍然要等上數(shù)十年。部分原因在于，硅本身是一種堅硬且易碎的材質(zhì)，不容易蝕刻，為此，研究人員們正在探索更堅固且柔韌、更容易在生產(chǎn)線上進行處理的替代品；他們也在尋找更好的對納米元件進行蝕刻的方法。
但卡帕索對此非常樂觀，他說，一旦這一技術(shù)被我們掌握，很顯然，我們可以將其用于智能手機的照相機里，F(xiàn)在，電池和鏡頭是導(dǎo)致智能手機很難變纖薄的主因，如果使用平面照相機鏡頭，智能手機可以做得“像信用卡一樣纖薄”。而且，這種平面鏡頭也避免了玻璃鏡頭很容易產(chǎn)生的偏差，這意味著他們最新研制出的這種平面鏡頭有望被用來制造更好、無偏差的顯微鏡。
盡管這種鏡頭也會存在衍射極限的問題，但它們最終會變得很好。衍射極限指的是傳統(tǒng)鏡頭無法捕獲照射在物體上的比光的波長更小的“蛛絲馬跡”。對于可見光來說，這一極限約為200納米，但是，由“超材料”制成的“超級鏡頭”能超越這樣的極限，這就使科學(xué)家們能夠看到被拍攝對象亞波長范圍內(nèi)的信息，比如活體細(xì)胞內(nèi)的病毒或不斷發(fā)生變化的結(jié)構(gòu)等。
其實，早在2005年，美國加州大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)家張翔（音譯）領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊就最先演示了一款概念性的“超級鏡頭”，其使用的“超材料”是由一層35納米厚的銀置于鉻和塑料組成的納米層中形成的納米“三明治”。
從那時起，該研究團隊的努力目標(biāo)就是讓這一“超級鏡頭”變得更加完美。功夫不負(fù)有心人，2007年，該研究團隊研制出了一種更加精良的“超超級透鏡”。這一“超超級透鏡”由銀、鋁和石英等化合物層嵌套制成。這種鏡頭不僅能捕捉轉(zhuǎn)瞬即逝的波，而且能放入傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)中使用，因此，科學(xué)家們或許能借助這一設(shè)備，通過標(biāo)準(zhǔn)的顯微鏡目鏡查看到亞波長的細(xì)節(jié)。
可逆聚焦有助于制造更微小的結(jié)構(gòu)
通過讓傳統(tǒng)的光學(xué)設(shè)備同由“超材料”制成的超級透鏡和超超級透鏡“聯(lián)姻”，張翔希望最終能為這些設(shè)備找到除了顯微鏡之外的其他應(yīng)用領(lǐng)域。就像這些結(jié)構(gòu)能放大亞波長的細(xì)節(jié)，它們也能逆向運行，將光束導(dǎo)入亞波長的聚焦點，這一點對于使用影印石板術(shù)來制造微型結(jié)構(gòu)非常重要。
如果超級透鏡和超超級透鏡能夠做到這一點，那么，科學(xué)家們就可以使用超精細(xì)的光束來蝕刻目前還無法達到的更小結(jié)構(gòu)，這將極大地增強光學(xué)設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲密度，也能使一塊計算機芯片上駐扎更多元件。
史密斯對此比較謹(jǐn)慎，他強調(diào)稱，與目前正在研發(fā)的其他先進平板印刷技術(shù)相比，超級透鏡和超超級透鏡趨向驅(qū)散更多光能。他表示，這使得它們成為“強大且富有競爭力但至今未能找到實際用途的技術(shù)”。不過，他也表示，張翔的嘗試是“英雄般的實驗，從根本上展示了‘超材料’所擁有的潛能”。
張翔也承認(rèn)，對于超級透鏡和超超級透鏡來說，最好的時代還沒有到來。但他相信，在未來幾年，科學(xué)家們會對這些技術(shù)進行精煉和改進，讓其變得更加實用。他說：“這些技術(shù)會給經(jīng)濟發(fā)展帶來巨大影響。超材料、超級透鏡將被證明真的具有創(chuàng)新性，對此，我持謹(jǐn)慎樂觀的態(tài)度。我們?nèi)绾翁幚砗褪褂谩牧稀奈ㄒ痪窒奘俏覀兊南胂螅挥邢氩坏剑瑳]有做不到。”
