浙大的光學隱身技術是怎麼回事？

11-28

只看示意圖的話完全沒有科技含量啊
我看著像是小學生科技製作的水平啊。
或者說這就是個原理示意而已？

在浙江大學工作的馬雲貴教授說，他的研究小組很快將宣布一項最新成果：一種能讓物體不被熱感應器或金屬感應器檢測到的裝置。馬雲貴的裝置只有火柴盒那麼大，但它可以被加大，足夠讓武器逃避安檢。
馬雲貴說：「去年我前往巴黎參加了一個關於光學隱身研究的國際討論會，我發現至少三分之一的研究者來自中國。近幾年似乎獲得資金很容易，你一申請就能獲得批准。」

嗯，題目我改了一下，感覺是新聞配的圖有問題。

（內有大量乾貨）我來說一下。首先這篇文章不是水貨。這篇文章出發點是變換光學。

普及一下變換光學。變換光學是基於麥克斯韋方程的空間變換前後的不變性。也就是說電磁波還是按照原來的路線走，它不知道空間變了沒有。我們把變換前後的空間分別叫做虛擬空間和物理空間(實際空間)，比如chen做的這個正六邊形隱身衣，虛擬空間是真空的正六邊形（圖1（a）），物理空間是隱身衣和中間的那塊區域（圖1（b）），中間那塊區域實際上是從由虛擬空間的一個點變過來的，隱身衣就是從虛擬空間里的正六邊形變過來的，隱身衣外面的空間不變。可以看到虛擬空間和物理空間每個區域都是一一對應的。現在給出來變換前後的空間的關係，接下來就是採用所謂的變換光學來確定變換後也就是實際的參數。

圖（1）正六邊形隱身衣

圖（2）實際結構和效果

當然理論上是很優美和簡單的，但是實際上是很難實現的。這是由於參數存在的奇點（從一個點到一個面）。所以完美的隱身衣目前來說是沒有希望的。所以現在做的隱身衣都是簡化的。這個結構也是簡化的，完美的正多邊形隱身衣需要兩種材料，由於另外一種材料是需要超光速的，所以現在來做很難做出來，況且是光波段。這個結構簡化成只用一種材料，方解石，一種雙折射晶體。所以整個結構就是六片方解石。但是還不夠，還要把這種個結構放在一種油裡面（折射率是1.72），具體的原因是由方解石的折射率的決定的。

在這篇文章（ref.1 (2012)）發出來之前，在2011年，其實已經有兩篇用類似的材料做的地毯式隱身衣，發表在nature communication(ref.2)和PRL(ref.3)（搞物理的人知道這是什麼檔次），圖（3）就是zhang做的。解釋一下地毯式隱身衣，就是把一個隱身衣罩在一面鏡子上，然後物體就可以參在隱身衣下面，外面的人只能看到一面鏡子，不能看到隱身衣裡面的東西。這個結構比chen的更加簡單，就是由兩片對稱的雙折射晶體構成。這個成果被physics world評為2010年十大科技進展。為什麼呢，這麼簡單的結構，小學生都可以做。這是因為隱身衣做到光頻段是很難的，通常要採用納米技術，所以早幾年之前做的光學隱身衣都是大實驗室做的，另外整個隱身衣通常只有幾個波長，可以想想，就幾百納米的幾倍，最多幾微米。zhang的這個呢關鍵是採用了自然材料，做到了幾十個毫米，或者說幾千個波長，又非常好製備，所以有很突出的貢獻。關注TED的可能會知道，去年zhang就去主講過，展示的就是他的地毯式隱身衣。

圖（3）地毯式隱身衣

有人說別人搞的隱身衣都是用超材料的呀，你這個不用，是不是不夠高端。這個是不對的，隱身衣不是說越搞越複雜，要有實際效果才算好。微波段的隱身衣通常是用超材料做的，比較好製備，微波段隱身衣見圖（4）。

圖（4）微波段隱身衣

另外在去年，chen又發表了一篇nature communication（ref.4），見圖（5），這次的結構更加簡單，材料也更加普通，就採用的是玻璃，水，和空氣。（有人又說了，這麼簡單，小學生都會呀。）我來講講背後的科學原理。為什麼不用雙折射晶體呀。因為人眼對光的相位和極化是不敏感的，所以這部分信息其實可以刪去的。刪去有什麼好處呢？如果採用光學變換製作的隱身衣一定不會是寬頻帶的，或者說只對一種顏色的光隱身。這是因為隱身衣中存在超光速現象，這就必然導致只對一個頻率隱身（這裡涉及到材料的電磁特性，我就不細講了）。為什麼要超光速呢，這是因為完美的隱身衣要保證相位一致。考慮正對隱身衣的那條光線，它先打到隱身衣的內邊界上，然後繞著內邊界到另一端。這束光肯定要比真空中的光走得快。（對比圖（5）左右兩幅圖的黃色線）

圖（5）由於隱身衣右邊的黃色線更長，為了保證變換前後的光程一直，右邊的光必然要超過真空中得光速，

圖（5）正六邊形光線隱身衣原理及實驗效果

現在呢，chen考慮到人眼的問題，去掉了這個相位一致的條件，所以呢大大簡化了設計，並且可以得到寬頻帶的隱身衣。這是這篇文章最大的貢獻吧。另外一個貢獻就是採用的材料更加普通，更加易得。而且被隱身的是超大的物體（相對於光的波長）。雖然只有在六個方向有效，可是仍然是可見光隱身器件的一個進步吧。

隱身衣發展了這麼多年，該做的都做的差不多了，剩下的都是硬骨頭，想要突破也越來越難了。所以chen的這兩項工作是我覺得還是挺有價值的。

另外說說馬雲貴的工作，他們製作的是熱導隱身衣，見圖（6）（ref. 5）。熱導隱身衣比電磁隱身衣更加容易製作，簡單的說，這是因為熱導隱身衣只需要考慮一個參數，即熱導率，而電磁隱身衣需要考慮兩個參數磁導率和介電常數。從形式上來說，熱導隱身衣對應於靜磁隱身衣或者靜電隱身衣。馬的隱身衣是最早的幾個熱導隱身衣之一，所以能發不錯的期刊。不過他們的隱身衣還是太複雜了，由多層材料組成。最近zhang等製作了只有兩種介質的三維熱導隱身衣，見圖（7）（ref. 6）。

圖（6）馬製作的多層材料的二維熱導隱身衣。

圖（7）雙層材料的三維熱導隱身衣。

p.s. 如果對超材料感興趣可以點這裡：

地鐵內超高速 Wi-Fi 中的超材料到底是什麼，怎樣「剪裁」電磁波？

Reference
1.Chen, H., Zheng, B. (2012). Broadband polygonal invisibility cloak for visible light. Scientific reports, 2.
2.Chen, X., Luo, Y., Zhang, J., Jiang, K., Pendry, J. B., Zhang, S. (2011). Macroscopic invisibility cloaking of visible light. Nature Communications, 2, 176.
3.Zhang, B., Luo, Y., Liu, X., Barbastathis, G. (2011). Macroscopic invisibility cloak for visible light. Physical Review Letters, 106(3), 033901.
4. Chen, H., Zheng, B., Shen, L., Wang, H., Zhang, X., Zheludev, N. I., Zhang, B. (2013). Ray-optics cloaking devices for large objects in incoherent natural light. Nature communications, 4.
5. Ma, Y., Lan, L., Jiang, W., Sun, F., He, S. (2013). A transient thermal cloak experimentally realized through a rescaled diffusion equation with anisotropic thermal diffusivity. NPG Asia Materials, 5(11), e73.
6. Xu, H., Shi, X., Gao, F., Sun, H., Zhang, B. (2014). Ultrathin Three-Dimensional Thermal Cloak. Physical review letters, 112(5), 054301.

本來我是很討厭噴子的，不過這次也許要做一回噴子。

本人就是搞納米光子的，對相關領域還算有一點了解，前面的回答有正確的地方，但還沒完全說到點子上

隱身衣這個東西在理論上有很多研究，具體來說理論基礎就是樓上所說的transformation optics（話說上周才聽了這個理論的發明人john pendry的talk，想到這個東西確實很聰明，能不能有實際應用另說），簡單的講就是把空間拉伸變換跟實際空間的介電常數和磁導率聯繫起來，這樣的話理論上講你可以設計任何奇怪的空間變換（比如說隱身衣），然後只要你能找到合適的材料（基本上需要一些很奇怪的材料），就能做出隱身衣來了。

好了問題就在這裡，理論歸理論，實際是實際，從transformation optics 的角度來說，要做出隱身衣，必須要有負折射率的材料，也就是介電常數和磁導率都為負的材料，這種材料在自然界是不存在的，但是可以通過人工模擬出來，具體來說就是在普通介質里加入一些金屬環諧振器之類的東西，這樣在宏觀上看就成為負折射率了。可是問題是可見光的波長在幾百納米的量級，要把幾百納米看做一個宏觀長度（相比於你的精細結構），所需要的製造工藝需要在10納米的量級，更嚴重的是還要把製造出來的平面結構立體化（例如摺疊），在目前的工藝條件下是做不到的。所以說隱身衣在微波段已經做出來了（至少很窄的帶寬下是這樣的），但是可見光據我所知還沒有。

回到浙大的這篇paper，問題就在於完全迴避了transformation optics，用所謂的ray optics來做隱身衣，這可以說就是一種投機行為，看起來實現了隱身，實際上只有在那個角度可以，觀察角變化一個5°就不行了（原文里有）。說實在的這根本就不叫隱身衣（起碼按照領域的定義來說），這樣的東西我拿個照相機在另一邊把照片拍下來然後在這一邊放個顯示屏也一樣可以做到，難道也是隱身衣？再說一點就是不是說因為這個東西有不完善的地方所以噴，別人做的隱身衣也沒有效果多麼的好，但這就好像你要去另一個地方，其實只有一條路，但是因為很難走，所以你才走到一半，結果我偏偏要說另外還有一條路，然後我說我走到的地方比你離目的地更近，可是我前面根本就是不通的。這個也是這樣，用ray optics和正常材料（折射率為正）理論上就是不可能做出隱身衣的，所以才會覺得這篇文章很扯。我跟這邊的學長也討論過這篇文章，當時就覺得很扯，但還沒想到一個很好的詞語來形容，看了前面的覺得很確切，沒錯，就是科學小製作的節奏。

話說回來，沒有要抨擊浙大或者某個老師的意思，這個問題是學術圈的通病，不要以為發表在nature子刊上的就一定是好文章，natue子刊，甚至正刊上毫無意義的灌水文其實多如牛毛，很多時候全在於你故事講得怎麼樣。所以中國的學者做這種工作，說不上什麼好事，也算不上壞事，既然人家願意收，何樂而不為。

根據這張新聞圖片來看，是利用幾何光學讓中間的六邊形小孔看起來小一些。左右是對稱的，所以平行光進平行光出，這樣在觀察者方向看稜鏡後面的物體就沒有畸變。我覺得這個設計牛逼的地方是稜鏡材料的折射率，
假設最外面的是空氣，六個胖一點的三角形是他們用的某種晶體，通常情況下，對於可見光，晶體的折射率大於空氣的折射率，空氣的折射率只比真空大一點點，常見的玻璃折射率是1.5左右，水是1.33，鑽石的折射率更大，2.4左右。根據高中物理裡面學過的菲涅爾折射公式，從折射率小的材料到折射率大的材料，折射角會比入射角小。但是在這個圖裡面，以左上角的稜鏡為例，明顯光線向上彎折了，就是說折射角比入射角大，所以這個晶體的折射率是小於空氣折射率的。這個是怎麼做到的我覺得很神奇。

渣渣，飛過去喂斯大林！我大日本帝國的心神相位隱形戰鬥機表示不服。

論文在此：「Ray-optics cloaking devices for large objects in incoherent natural light : Nature Communications : Nature Publishing Group」，有興趣的可以看一下。

PS：無腦噴的一律沒有幫助反對。此外，我也不指望那幾個噴子能有一點耐心去看一下發表的論文。

就算設計是小學生製作水平，用的材料是釔鋁榴石你不訂製真的搞不到，更何況你算不出用什麼glass可以實現。說句不好聽的：「你行你上」。

（相關新聞中的概念簡圖）
其變換光學解釋如下：

可以認為論文成果是對該理論簡化應用後得出的不完善的產物。如@肖霄所述：「超級材料的結構計算的再好微納加工水平跟不上造不出來還是乾瞪眼。」

我相信他們團隊最理想的結構設計是這樣的：（抱歉手頭沒法畫圖只好跟度娘要幾個比較貼合的）

採用合適的特向異性多晶體使得在儘可能多的方向上實現隱身效果，但是不遂人願，材料造不出來只能從最簡單的做起一步步逼近。
於是有了這樣的成果：

當時的新聞同時還提到了：「團隊還有微波隱身產品等」。相比可見光波段隱身產品，恐怕這個被有意無意忽略掉的才是最有價值的。

不研究光學材料所以沒更多乾貨了，匿了。

利益相關：理科生，沒發過論文，不知道NC口碑如何。從第二年7.39的Sci Rep、12年10.12來看，傾向於該雜誌含金量較高。

參考文獻：
李慧.基於共形變換的隱身衣研究[D].蘇州大學,2013.

是否有科技含量：
科研成果是否有科技含量基本可以通過相關論文發表情況判定。本文發表在NPG Asia Materials，大名鼎鼎的Nature集團的子刊。2012年影響因子在9附近（基本2以上就算可接受得了），通過率百分之25左右，審稿時間六個月。
Ref1: NPG Asia Materials
Ref2: 論文原文

其實，馬雲貴教授的成果是針對熱探測調控熱擴散方程係數來實現隱身的，有興趣可以看上面的論文，題主給的圖根本跟文章不搭界啊，先把內容看好了再噴好么噴友。
Ref3: 港報：中國有望研發出世界第一件實用隱身斗篷

關於隱形材料的問題可以見這篇回答中的Metamaterial部分。據我相關方向的同學說，目前的確是非常好拿經費但是想做出可應用的成果來真的很難。超級材料的結構計算的再好微納加工水平跟不上造不出來還是乾瞪眼。

// 最後用@張克炎同學的一句話送給LS兩位同學：「@keyanzhang：請分清評論與回答的區別，
// 不要把「這題好難啊，老師我不會啊」寫在試卷上。」

第一，對本題下方瞎bb的人表示強烈的指責，沒有乾貨就請你閉嘴，已經點上反對+沒有幫助
第二，評判一個科研成果是否有科技含量，首先要看文章出處，發表於何種期刊，影響因子如何，它的引文是否準確，對此成果是否有效。之前@肖霄的回答已經很好地解釋了這一點
第三，關於隱身的原理，@張索索的關於折射率的問題我想是Metamaterial，這個方向的理論計算已經做得很好，可以改變已知的菲涅爾反射與折射定律，本學期我的一份小報告也是做的有關於Metamaterial的東西。
第四，關於題主最後說的都是中國人在做，猜測一下，這是因為大家都認識做Metamaterial理論計算的一個中國人，關於菲涅爾定律的修改也是出現在他的Paper里的
Ref:
Yu N, Genevet P, Kats M A, et al. Light propagation with phase discontinuities: generalized laws of reflection and refraction[J]. Science, 2011, 334(6054): 333-337.

門外漢，不知有沒有關係。
我就放個視頻：不可能的物理學：教你如何隱形

變換光學，準保角變換。熱隱身，光學隱身，這其實很多學校光學方向都有在研究。總得來說就是坐標變換了，但是麥克斯韋方程前後不變，光被大角度偏折，入射進物體就如平面鏡反射一樣回來，不經過物體散射就看不見物體了。其實這些大多還是停留在實驗室吧，一些特定波段下。

另我感到奇怪的是paper竟然是信電系發的（通信工程和電子科學與技術兩個專業），而不是光電或者材料系= =

另外已得搞笑諾貝爾獎。

好吧請摺疊我