物理23 “隐身斗篷”的提出者获得诺贝尔物理学奖-资讯-知识分子

物理23 “隐身斗篷”的提出者获得诺贝尔物理学奖

2021/10/05

导读

2021年10月5日下午6点，诺贝尔物理学奖授予两位凝聚态理论物理学家约翰·彭德里（John Pendry）和大卫·史密斯（David Smith），以表彰他们在xxx上的贡献。而一位最早提出超材料概念的先驱，维克托·韦谢拉戈（Victor Veselago），则已于2018年去世，错失诺奖。《知识分子》请到清华大学材料学院周济院士，解读诺奖成果。

10.5

知识分子

The Intellectual

制图 | 王若男

2021年10月5日下午6点，诺贝尔物理学奖授予两位凝聚态理论物理学家约翰·彭德里（John Pendry）和大卫·史密斯（David Smith），以表彰他们在xxx上的贡献。

而一位最早提出超材料概念的先驱，维克托·韦谢拉戈（Victor Veselago），则已于2018年去世，错失诺奖。

《知识分子》请到清华大学材料学院周济院士，解读诺奖成果。

撰文 | 周济

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60多年前，美国著名物理学家费曼说过这样一句话：“假如在某次大灾难里，所有的科学知识都要被毁灭，只有一句话可以留存给新世代的生物，哪句话可以用最少的字包含最多的讯息呢？我相信那会是原子假说。”

原子假说是古希腊哲学家德谟克利特提出的哲学命题，该假说认为世间万物的性质皆来源于构成该位置的某个基本单元。这一假说影响两千年来人类的世界观，并直接导致了基于解构分析的近现代科学的产生。19世纪初英国化学家道尔顿进一步提出了原子论，将“原子”进一步定义为今天我们所认知的原子。而事实上，德谟克利特的原子不同于道尔顿的原子，它是更广义的概念，因为决定物质性质的不一定是原子，也可能是分子、化学键、晶体结构或其它更大尺度的结构，也可能是电子、中子等更小的结构。因此，德谟克利特原子可以被看成是一种广义的原子。

能否通过人工方式去重构广义原子以获得自然物质所不具备的性质呢？答案是肯定的！21世纪以来，一个新的概念横空出世，那就是“超材料（metamaterials）”。超材料的定义是“利用人工结构单元实现的、具有自然材料所不具备的超常物理性质的人工材料”。

超材料思想最初发端于针对 “负折射” 理想实验的物理实现。1967年，前苏联科学家维克托·韦谢拉戈（Victor Veselago）提出，如果有一种材料同时具有负的介电常数和负的磁导率，电场矢量、磁场矢量以及波矢之间的关系将不再遵循作为经典电磁学基础的“右手定则”，而呈现出与之相反的“左手关系”。这种物质将能够颠覆光学世界，它能够使光波看起来如同倒流一般，并且在许多方面表现得有违常理的行为，例如光的负折射、“逆行光波“、反常Doppler效应、倏逝波放大、无像差透镜效应、以及负Cerenkov辐射等等。

然而，众所周知，同时具有负介电常数和负磁导率的材料在自然界中是不存在的，因此，Veselago的预言未能得到科学界的重视。

直到20世纪90年代中后期，英国物理学家Pendry提出了利用在某些频段具有电磁谐振的单元（金属线及开口谐振环）阵列实现负的有效介电常数和负有效磁导率的设想，这种金属线和开口谐振环可以认为是 “人工原子”，而其阵列结构可以看成是一种人工材料（即后来人们所说的超材料（metamaterial））。

这一设想于2000年被美国加州大学圣迭戈分校Smith课题组利用简单的实验进行了验证，演示出微波波段负折射行为。左手材料的实现促进了超材料这一新概念的形成，昭示人们可以在不违背基本的物理学基本规律的前提下，利用人工设计的 “原子”，获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”。

此后，借助于Pendry提出的两类 “人工原子” 及其衍生体，科学家先后发展出一系列具有奇异电磁波性质的超材料和器件，如完美透镜、隐身衣、倏逝波放大、电磁诱导透明、电磁悬浮等奇异物理特性。

近10年来，超材料的设计思想从电磁领域延伸到热学、声学、力学等领域，潜在的应用领域涉及到从单个病毒的观察到地震波的消除。超材料的发展及其影响引起了科技界、工业界以及军事界的广泛关注，入选《科学》杂志21世纪前10年自然科学领域的10项重大突破，被《今日材料》杂志评选为材料科学领域 “50年中的10项重大成果” 之一。

超材料的思想为新型功能材料的设计提供了一个广阔的空间，人们可以借助于这一思想构造人工材料，发展出自然材料所无法获得的新功能，人类或因此成为 “造物主”。

- 扩展阅读 -

“超材料（metamaterials）”的基本定义

“Metamaterial”是本世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇，近年来经常出现在各类科学文献。拉丁语“meta-”，可以表达“超出…、亚…、另类”等含义。对于metamaterial一词，目前尚未有一个严格的、权威的定义，各种不同的文献上给出的定义也各不相同。但一般文献中都认为metamaterial是“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料”。在互联网上颇有影响的维基百科（Wikipedia）上，对metamaterial一词是这样解释的：

In electromagnetism (covering areas like optics and photonics), a meta material (or metamaterial) is an object that gains its (electromagnetic) material properties from its structure rather than inheriting them directly from the materials it is composed of. This term is particularly used when the resulting material has properties not found in naturally formed substances.

这一解释可能是迄今对metamaterial这一概念给出的最符合科学规范的定义，尽管这一定义从目前的观点看过于狭隘（该定义似乎只针对电磁领域的材料，而实际上，最新的研究metamaterial已经包括一些声学材料）。从这一定义中，我们可以看到metamaterial的三个重要特征：

（1）metamaterial通常是具有新奇人工结构的复合材料；

（2）metamaterial具有超常的物理性质（往往是自然界的材料中所不具备的）；

（3）metamaterial性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。

目前人们已经发展出的这类“超材料”包括光子晶体、左手材料、以及超磁性材料等等。

获奖者生平

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约翰·彭德里John Pendry

约翰·彭德里是一位凝聚态理论物理学家，他广泛研究表面的电子和结构特性，开发了低密度理论能量衍射和电子表面态。他的另一个兴趣是无序运输系统，发展了一个完整的一维运输统计理论系统。

彭德里是少数能够建立一个全新且出乎意料的研究领域的科学家。他在超材料领域取得了杰出成就。他与马可尼公司的科学家们合作设计了一系列“超材料”，即具有自然界中未发现的特性的新型材料。它们的特性更多取决于微观结构而不是组成材料。

他于1943年7月出生在英国曼彻斯特，1969年博士毕业于剑桥大学，并留校工作了6年。期间，他在贝尔实验室工作了一年。在那里，他开始与 Patrick Lee 合作解释了扩展 X 射线吸收精细结构 (EXAFS)。这是该效应的第一个定量理论，并使得科学家们可以使用 EXAFS 来确定玻璃等材料系统中的原子结构。

1975年，彭德里加入柴郡达斯伯里实验室（the Daresbury Laboratory in Cheshire），担任理论组的负责人。在达斯伯里实验室，他发表了角分辨光电子发射理论，该理论仍然是该领域的标准模型。基于光电发射实验，这些方法能够以前所未有的精度确定固体和表面电子的能带结构。1980 年，彭德里提出了逆光电子发射技术，其中电子在衰变到表面附近的未占据状态时会发光。此技术的可行性很快就得到了证明，现在它被广泛用于探测未占据的电子态。

1981年开始，彭德里加入帝国理工学院，并成为凝聚态理论组的负责人。不久后他就开始研究电子在无序系统中的行为。

1994年，彭德里发表了第一篇关于电磁波与金属结构谐振的工作，这导致了超材料的概念。

2000年，彭德里扩展了俄罗斯科学家维克托·维塞拉戈（Victor Veselago）的研究成果，并提出了一种简单的方法来制造焦距理论上完美的透镜。

2006年，他提出了弯曲光线的想法，使其能够在物体周围形成一个容器，从而有效地使物体隐形，并与杜克大学的大卫·R·史密斯（David R.Smith）共同撰写了一篇论文，被称为隐形斗篷。

2013年，他以在 “表面科学、无序系统和光子学”上的成就获得英国物理协会颁发的最高奖“牛顿奖章”。

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大卫·史密斯David Smith

美国物理学家，1994年获得加州大学圣地亚哥分校 (UCSD) 物理学博士学位。他的研究兴趣包括独特电磁结构的理论、模拟和表征，光子晶体和超材料。

史密斯最出名的是他在电磁超材料方面的理论和实验工作。超材料是人工结构的材料，其电磁特性可以通过传统材料不易实现的方式进行定制和调整。他在开发用于设计和表征超材料的数值方法方面一直处于前沿，且做了许多有助于说明超材料潜力的关键实验。2000 年，史密斯和他在加州大学圣地亚哥分校的同事在展示了第一个微波频率的左手（或负指数）超材料——俄罗斯物理学家维克托·韦谢拉戈在三十多年前理论上预测了这种材料。在此实验之前，从未报道过具有负折射率的天然材料或化合物。

2001年，史密斯及其同事进行了第二个实验，证实了韦谢拉戈的一个关键猜想：Snell 定律的“逆转”。上述两项研究引起了领域内对超材料扩展和增强传统材料特性的可能性的极大兴趣。

自从第一次超材料实验以来，史密斯一直在研究负折射率介质和超材料的基本原理和潜在应用。2004 年，他开始研究超材料作为生产新型梯度指数介质的一种手段的潜力。通过改变整个材料的折射率，可以形成一整类光学元件（例如透镜）。史密斯表明，超材料可以访问更大范围的设计空间，因为磁和电特性都可以独立分级。他及其同事展示了几种版本的梯度折射率光学器件，且仍在不断实验中。

他在超材料的电磁特性中引入受控空间梯度，这一工作符合彭德里提出的变换光学的广义概念。为了说明这种设计方法的新颖性，彭德里、舒里格和史密斯在 2006 年提出，“隐形斗篷”可以通过转换光学设计的超材料实现来实现。同年晚些时候，杜克大学的史密斯小组报告了在微波频率下展示了一种变换光学设计的“隐形斗篷”。变换光学的概念从那时起引起了科学界的关注，现在是该领域一个迅速崛起的子学科。

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错失诺奖的维克托·韦谢拉戈（Victor Veselago）

韦谢拉戈是苏联/俄罗斯物理学家，1929年出生的他已于2018年去世，未能等到此次的诺奖。

韦谢拉戈被认为是负折射研究的颇有远见的先驱。1967 年，他首次发表了对具有负介电常数 ε 和磁导率 μ 的材料的理论分析。他解释了理论上需要一种材料，使该材料不仅具有小于1的折射率，而且实际上具有负折射率，从而使光以“错误的方式”弯曲。这一工作成为了推动电动力学和光学物理研究进展的关键。

2009 年，维萨尔戈赢得了 C.E.K.美国光学学会 (OSA) 的 Mees 奖章。获奖者之所以被授予这枚奖章，是因为他“体现了‘光学超越所有边界’的思想，无论是跨学科的还是国际性的。”