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)域的開創(chuàng)者之一。他提出負(fù)折射率材料的可實現(xiàn)方案，并進(jìn)一步預(yù)言和推動了“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，實現(xiàn)亞波長成像。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)。彭德里獲得過諸多殊榮，其中2024年因“超材料理論構(gòu)建對材料科學(xué)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)”，獲得該年度京都獎（Kyoto Prize）。本文是他的獲獎演講“我的科學(xué)生涯”實錄。

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

翻譯| 葉凌遠(yuǎn)

童年時代

我被要求談?wù)勎以缒觊g的生活，那就讓我們從頭開始吧。

圖1 約翰·彭德里童年時

我出生在英國的蘭開夏郡（Lancashire），一個叫作阿什頓安德萊恩（ Ashton-under-Lyne ）的棉紡小鎮(zhèn)。我出生于1943年，那個時代可與現(xiàn)在大不相同。我父親在航空業(yè)工作，我母親在政府 當(dāng) 書記員。那時正值戰(zhàn)爭時期。

我們一家和祖母住在一起。她在一條名為“便士草甸”（Penny Meadow）的街上開了一家糖果店。那時候其實已經(jīng)沒多少草地了，這里已成為鎮(zhèn)上主要的購物街之一，靠近鎮(zhèn)中心的市場。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。那個商店還是一個相當(dāng)重要的社交中心，尤其是在星期六，我們的親戚會來購物。買完東西后，他們會來和我的祖母、母親聊天，順便喝杯茶。所以我們家是個挺熱鬧的“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”。那時候，我的父母之所以和祖母住在一起，是因為受希特勒的影響，當(dāng)時市場上沒有多少房產(chǎn)可供選擇。但盡管有戰(zhàn)爭破壞，人們對未來仍保持著積極的心態(tài)。特別是，人們看到了科學(xué)將帶來的益處。所以，從很小的時候起，我就對科學(xué)著迷了：我不記得我想當(dāng)一個科學(xué)家的愿望在任何時候有過動搖，科學(xué)家是最棒的。

時代變了。以上是20世紀(jì)40年代的樣子，和藝術(shù)家 L. S. Lowry 在《 蘭開夏 街頭》（ Lancashire Street ，1951）中描繪的 棉紡社會 一模一樣。這幅畫當(dāng)時可能賣了幾千英鎊，我想現(xiàn)在值幾百萬了，他的作品就是這個價。他最初在我們隔壁的奧爾德姆鎮(zhèn)（Oldham）工作，但也畫我們鎮(zhèn)的場景。他賺了點(diǎn)錢后，就搬到了稍遠(yuǎn)一點(diǎn)的莫特拉姆（ Mottram ），一個位于山間的小村莊。我們學(xué)校過去還經(jīng)常有人去采訪他。

圖2 《蘭開夏街頭》（ Lancashire Street ）

請大家注意這幅畫的幾處細(xì)節(jié)。冒煙的煙囪，那是棉紡廠在運(yùn)轉(zhuǎn)的標(biāo)志。 Lowry 以畫我們現(xiàn)在所說的“火柴棍小人”而聞名。畫中的蘭開夏人在忙著各自的事情，他們非常善于交際，這幅畫正反映了我成長時期的典型環(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)，我童年時期所看到的景象被巨大的棉紡廠占據(jù)。其中一個是帝國棉紡廠（ Imperial Cotton Mill ），我不太確定它具體在哪里，但它離我們很近。工廠有一個煙囪，整個建筑由一臺燃煤蒸汽機(jī)驅(qū)動。煤是本地開采的，我們稱之為“黑鉆石”。如今煤炭的名聲不那么好了，但它驅(qū)動了這些工廠。一臺蒸汽機(jī)驅(qū)動一系列皮帶，帶動著極其嘈雜的機(jī)器。棉花從利物浦（Liverpool）轉(zhuǎn)運(yùn)到鎮(zhèn)上，它們從美國加爾維斯頓（ Galveston ）等地進(jìn)口而來，然后經(jīng)過紡紗、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)。我的父母和祖母營造了一個充滿愛心且穩(wěn)定的環(huán)境。家里有點(diǎn)凌亂，因為我們沒有太多空間：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，我父親的聲樂課、唱音階——不忍直視！更不用說我還胡亂搗鼓化學(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就守寡了，獨(dú)自撫養(yǎng)我的母親和舅舅長大。

我的舅舅西德（Sid）對我成長的影響很大。戰(zhàn)爭期間他在海軍部工作，后來他成為一名教師。他似乎從不厭倦回答我的問題。他是個可愛的人。他會彈鋼琴，不過彈得不是特別好。有一次我生病臥床，除了聽西德舅舅彈鋼琴外無事可做。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，但老話說得好，“如果一件事值得做，做得糟糕也值得?！?/p>

我母親是徒步高手。她精力無限，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）大約只有五萬人口，步行就可以走出鎮(zhèn)子，赴向自然。特別是在蘭開夏郡的東側(cè)，也就是阿什頓所在之處，往外走可以進(jìn)入奔寧山脈（Pennines），夏末時節(jié)那里會鋪滿紫色的石 楠 花。再往北是湖區(qū)，我們常去那里度假，去一個叫作斯凱吉爾（ Skelgill ）的小農(nóng)場。這是德文特湖（Derwentwater） 修士巖（Friar ’s Crag ） 的圖片（圖3；譯者注：英國湖區(qū)著名景點(diǎn)），爬過貓背山（ Catbells ）后繼續(xù)徒步就能來到這里。

圖3 修士巖（Friar ’s Crag ）風(fēng)景

學(xué)生時代

接下來我講講學(xué)校和學(xué)生時代。時間在流逝。

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

圖4 阿斯頓文法中學(xué)和我家中的實驗臺 圖源：左圖 Sandra Martin

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

中學(xué)畢業(yè)后，我獲得了劍橋唐寧學(xué)院（Downing College）的獎學(xué)金。我的物理老師和校長都曾就讀于唐寧學(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 得 水。這里擁有著我尋求科學(xué)人生的一切：充滿思想和個性，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)果證明賴爾是對的：宇宙正在膨脹。還有克里克（ Francis Crick ）和沃森（James Watson），他們在看起來像公交候車亭的小棚子里工作，我攻讀博士學(xué)位時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：由冷泉港實驗室 BGI 諾貝爾檔案館提供。

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

超材料與負(fù)折射

那么，用了比我預(yù)期長得多的時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項的研究。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)展出人們真正想買的產(chǎn)品，因為它們在日常生活中很有用。這是一個漫長的故事，因為我要展示的一些研究已經(jīng)相當(dāng)久遠(yuǎn)了。

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

我想你們會問我的第一個問題是，我們一直在談?wù)摰某牧希╩etamaterial）到底是什么？解釋起來其實很簡單。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)。你看不到單個原子：你看到的是每個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小就行了，所以在原子尺度（ 10 ? 10 米）和光的波長之間有大量的空間，兩者中間有 1000 倍的差距。這個空間可以塞入相對來說很大、足以被人類制造的結(jié)構(gòu)，特別是當(dāng)波長很長時。

在如下例子中，我們所說的開口諧振環(huán)，它的直徑只有幾毫米，因為它是為波長很長的輻射設(shè)計的，比如雷達(dá)波（圖7右）。如今許多超材料有更小的結(jié)構(gòu)，因為我們的工程能力更強(qiáng)了，但基本思想都是一樣的，其功能來自人為設(shè)計的“超原子”。

圖8 開口諧振環(huán)

這是開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)首次被制造出來（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，只需在計算機(jī)上設(shè)計，然后把它發(fā)給制造印刷電路板的公司，他們會按要求把它蝕刻成你想要的任何形狀或形式。所以，只要有一臺電腦和一些設(shè)計軟件，幾乎任何人都可以參與進(jìn)來。

這是另一個利用超材料思想實現(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)計它們的形狀使它們具有磁響應(yīng)；還有一些導(dǎo)線（在這個圖像中你只能看到淡淡的陰影），它們提供電響應(yīng)。這是第一個同時實現(xiàn)對電場和磁場都負(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，它們產(chǎn)生了負(fù)折射率；換句話說，當(dāng)光穿過這種材料時，它會向“錯誤”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)

另一個例子來自更晚的時期。這是一種復(fù)合結(jié)構(gòu)，旨在實現(xiàn)同樣的效果，只是其尺度要小得多——不是厘米級，而是微米級，甚至亞微米結(jié)構(gòu)——為紅外波段而設(shè)計的。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，一束光線會偏向法線的另一側(cè)（圖10左紅線）。有一個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)，我只舉其中一個例子： 如果你將一個光脈沖發(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。想象一個波（圖10右）：這里有一個包絡(luò)（紅線），包絡(luò)朝某個方向移動（紅箭頭），而波（綠線） 向 反方向蠕動，試圖從包絡(luò)的后面出來（綠箭頭）。這非常非常奇怪。

變換光學(xué)與隱身斗篷

當(dāng)你擁有一個具有無窮自由度的超材料時，你必須有一些方法來控制它們。怎么進(jìn)行設(shè)計呢？為此，我們求助于這位先生——愛因斯坦——我相信你們都認(rèn)識他。他有一個理論，即光可以被恒星彎曲。愛因斯坦說空間不是空的。在19世紀(jì)，人們包括科學(xué)家們，對于空間一詞的理解基本上意味著什么都沒有，即真空。但愛因斯坦告訴我們，不，它不是空無一物的。

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)上描述了一個折射率?？臻g有一個折射率，你可以改變它。你可以通過在空間中放置非常重的東西來改變它。

圖11 引力使光線彎曲

首批證明愛因斯坦理論是正確的實驗之一，是在日食期間觀察太陽對星光的偏折——否則你看不到那顆星星。這種偏折與愛因斯坦理論的預(yù)測一致。我們正是利用愛因斯坦關(guān)于空間像橡膠一樣的想法，建立了一個新的設(shè)計范式。

這是另一幅哈勃望遠(yuǎn)鏡所探測到的景象（圖12）。這里顯示前景是一個紅色星系，后面是一個藍(lán)色星系。如果紅色星系不存在，你會看到一個藍(lán)點(diǎn)。但因為它在那里，它折射了周圍的光，就像玻璃透鏡一樣。這說明空間確實有一個折射率，愛因斯坦是對的。

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，我們則對空間進(jìn)行設(shè)計。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，并按你希望的方向前進(jìn)。所以如何改動材料，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)在我們接下來設(shè)計隱身斗篷時將起到非常重要的作用。

圖13 控制電磁場 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)計一件隱形斗篷時，引起了相當(dāng)大的震動。這張圖說明了設(shè)計斗篷的挑戰(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，因為即使是完全不發(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·潘是一個失去了影子的小男孩。當(dāng)他失去影子時，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，因為光線必須像“什么都沒有時”那樣前進(jìn)，只是現(xiàn)在那里有東西了。你能“動手腳”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，我們來操縱它拉伸、扭動它，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)實現(xiàn)隱形 圖源： J. B. Pendry, D. Schurig, and D. R. Smith, Science 312, 1780–1782 (2006).

你可能會認(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有時一模一樣，設(shè)計出這樣的東西是一個巨大的挑戰(zhàn)。確實如此，但當(dāng)掌握了變換光學(xué)這項技術(shù)，我們能夠非常容易地設(shè)計出隱形斗篷，可以明確寫出斗篷的公式。事實證明，這是超材料和變換光學(xué)一個很好的“賣點(diǎn)”。因為人們意識到，如果能如此簡單地解決這個看起來幾乎不可能的任務(wù)，那么這些方法或許可以輕松應(yīng)對更簡單的問題。事實也確實如此。

接下來我將討論負(fù)折射，它同樣引起了一些爭議。韋謝拉戈早就意識到，如果光線能在負(fù)折射介質(zhì)中向“錯誤”的方向彎曲，它不可避免地會在該介質(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“錯誤”的方向彎曲，然后聚焦（圖16）。順便說一下，它們還會聚焦在第二個點(diǎn)上。韋謝拉戈知道負(fù)折射材料可以制作透鏡。唯一的問題是，他寫下那篇論文的時候，還沒有這樣的材料，這種情況一直持續(xù)到超材料出現(xiàn)。

在我早先的演講中，曾提到一個下雨的星期天早晨。那天早上，我一直在思考這個透鏡。我突然意識到一個很早就有的定律——阿貝定律，并不總是成立。該定律說，用普通顯微鏡，你看不到任何小于光的波長的東西 ?？梢姽獾牟ㄩL大約是500納米， 看起來非常小，但這正是細(xì)胞開始變得有趣的尺寸。我們無法用普通顯微鏡看到細(xì)胞內(nèi)部，因為它無法分辨里面的東西。阿貝定律曾被認(rèn)為是一條鐵律，而在那個下雨的星期天早晨，我意識到，人們并沒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 近場超透鏡實驗 圖源： Nicholas Fang, Hyesog Lee, Cheng Sun, Xiang Zhang, Science 308, 534–537 (2005).

圖17展示了它的一個近似，同樣是由伯克利的 張翔 實驗室制成。他們用銀（Ag）制作了一個透鏡，下面是一個間隔層（PMMA），再下面是他們要看的東西——一塊鉻（Cr）。由于這些東西太小，顯微鏡無法看到，你實際上必須把它們“寫”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”這個詞，標(biāo)尺為2微米。其中（C）是沒有任何透鏡時看到的情況，而如果放上銀透鏡（B），就像戴上眼鏡一樣，一切都清晰對焦了。右圖是一個掃描結(jié)果，顯示實際上已經(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。

超材料的實際應(yīng)用

現(xiàn)在，在這次演講剩下的時間里，我想向大家展示我們從愛因斯坦和麥克斯韋方程組的原理出發(fā)做的一些有趣實驗。這些實驗是對理論很好 地 演示，在這個階段并非為實用目的而設(shè)計，但實驗結(jié)果表明它們可以轉(zhuǎn)化為實際的產(chǎn)品。我想用剩下的時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，因為它布滿了晶體管。而這里的相控陣是由超材料制成的，事實證明，你可以在不進(jìn)行任何機(jī)械運(yùn)動的情況下，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 公司也在開發(fā)同樣的技術(shù)，用于改善機(jī)場安檢?，F(xiàn)在你必須接受太赫茲掃描：走進(jìn)這臺機(jī)器，東西來回轉(zhuǎn)，非常麻煩。有了他們的技術(shù)，你只需從機(jī)器旁邊走過，同時完成掃描。沒有問題就直接通過，有問題則被攔下。

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 的信號是磁共振，一個美麗、純凈的磁場。在現(xiàn)有技術(shù)中，我們立即將其轉(zhuǎn)換為電信號，而這樣的信號轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過一個非常嘈雜的環(huán)境。理查德的想法是保持磁性，并設(shè)計一種非傳統(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。這是超材料帶來的另一件有實用價值的成果。

再舉一個例子，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，并不擅長將波發(fā)送至給定的地方。在其上方，你可以構(gòu)建一個超材料結(jié)構(gòu)，它非常擅長從該裝置中提取能量。這項工作來自哈佛大學(xué)的費(fèi)德里科·卡帕索（ Federico Capasso ）的課題組。

哈佛大學(xué)課題組的另一個得意之作是制造極薄的透鏡。這不是開口諧振環(huán)，而是類似半開口諧振環(huán)的結(jié)構(gòu)，其中有一些亞波長尺度的小諧振器，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。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到了密歇根，整個過程豐田總部一直與它保持聯(lián)系?；蛟S有一天你的車頂上會有這樣的天線，能持續(xù)與任何人保持聯(lián)系。至于你是否喜歡這樣做，則是另一個問題了。

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。這個面板充滿了小的諧振器，雖然肉眼幾乎不可見，但它們確實存在。這個面板能阻隔聲音，布里斯托爾的一家公司已經(jīng)將其投入市場，用于醫(yī)院，在重 癥 患者的床邊創(chuàng)造一個靜音區(qū)。

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

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

圖24 日產(chǎn)開發(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，那應(yīng)該是很有價值的。這里展示的是一種非常粗糙的超材料，通過在地面鉆孔制成（圖25）。在藍(lán)色輪廓區(qū)域內(nèi)，你勉強(qiáng)能看到這些孔。在這個階段它還不是“隱身斗篷”，但 核心問題是 ，這個結(jié)構(gòu)是否會改變波在地球中傳播的方式。 Sebastian 說服了一家石油公司借給他這臺重?fù)糗?。重物被吊起后落下，重?fù)舻孛娌l(fā)出波。然后他們測試這個結(jié)構(gòu)是否把這些波送到我們試圖送達(dá)的地方？答案是肯定的：結(jié)果已發(fā)表在《物理評論快報》上。

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

恐怕我沒有時間詳細(xì)解釋接下來的例子了（圖26）。所以我大致談?wù)劤牧系南乱徊绞鞘裁?？超材料在空間上是結(jié)構(gòu)化的，這正是它們獨(dú)特性質(zhì)的來源。但還有另一個維度——時間的維度。如果我們能在時間上非?？斓馗淖儾牧?，那將強(qiáng)烈影響穿過它的輻射。

圖26 隨時間變化的超材料 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，你對折射率進(jìn)行了某種調(diào)制，那會影響光的傳播方式。如果你還能讓這種調(diào)制隨著時間改變，那將產(chǎn)生非常不同的效果。

關(guān)鍵在于，如果你開始擺弄時間，你就打破了對于不隨時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)不隨時間變化時 ，物理方程在時間上是可逆的。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)隨時間變化，這條定律就被打破了，至少不是原來的形式。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)超時了。謝謝大家。

圖27 約翰·彭德里以此頁P(yáng)PT為結(jié)尾。超材料與變換光學(xué)為電磁學(xué)開辟了新視野，實現(xiàn)了以下功能：無法或難以通過天然材料實現(xiàn)的材料特性；在所有長度尺度下（低至幾納米）對光的控制；提供用于5G信號的手機(jī)天線；用于生物應(yīng)用的亞波長顯微鏡目前正在開發(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；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