超材料

「超材料」或「超穎材料」(Metamaterials) 究竟是什麼﹖

分類: 物理與數學— pgluan2010 @ 7:44 下午

大家只要在Google 尋找「超材料」或“Metamaterial”，就可以找到大量此領域的研究相關資料與媒體報導。這是一個發展至今只有十多年的新興研究領域，然而因為其「新聞性」十足，因此吸引了大量的研究者（來自電機工程、光電工程、通訊工程、機械工程、凝體物理、甚至是宇宙論與弦論專家）投入相關的研究，並攻佔了許多的期刊版面。在這些研究中，最能吸引媒體目光的包括「完美透鏡」或「超級透鏡」(perfect lens, superlens)、「負折射」(negative refraction)，以及「隱形斗篷」(invisibility cloak) 等等。究竟什麼是「超材料」呢﹖你可以在「維基百科」(wiki) 找到像這樣的說明﹕“Metamaterials are artificial materials engineered to provide properties which 『may not be readily available in nature』. These materials usually gain their properties

from structure rather than composition, using the inclusion of small inhomogeneities to

enact effective macroscopic behavior.”

我不想翻譯上述這段說明，只想表達我自己對Metamaterial的體會。我認為最主要的Metamaterial研究包含以下幾個部份﹕

1. 研究各種波(電磁波、聲波、彈性波、水波、量子波) 與特殊設計的共振器陣列(resonator array) 的交互作用。主要的目標是利用這些共振器與連續波的強列反應(以及強烈的能量交換) 大輻改變波的傳播特性(例如負折射)。共振器陣列在此扮演著「有奇怪特性的波介質」的角色。

2. 利用上述的奇怪介質設計具神奇功能的元件(例如隱形斗篷、超透鏡)。

3. 探討上述內容的物理限制(例如吸收與空間色散的影響)。

除了「新聞性」之外，我認為這些研究之所以有趣，是它結合了多種學科的知識，形成了一種「相互影響」、「交叉理解」的局面。像是「固態物理」或是「廣義相對論」的一部份知識就可以用另一種面貌出現在超材料的研究中；而當你看得再深一些，就會發現它們跟某些「電機工程」的研究根本就是同一回事。例如，在我看來，固態物理中的「電磁偏極子」(polariton) 跟電磁超材料的「裂環共振器」(split-ring-resonator media)，以及聲波超材料中的「負

動力學質量」(negative dynamical mass) 研究的都是同一回事—波與局域振子(local oscillators) 的耦合(coupling) 所導致的種種奇特波傳播(或不傳播) 特性。

這個領域促成並加速了各學門之間的對話，建構出一種「全方位」(omni-directional) 的視野。我認為這種發展是很健康的，也很值得鼓勵。為了訓練更多的超材料研究人才，未來的教育將會有更多的挑戰要面對。我們必須發展出全新的思維才行。