Re: [新聞] 哈利波特小說成真！美造出隱形斗篷可讓 …

[F7788 (發現)]

又代波，原波有CHANGE裡的朝倉啟太精神，但物理很難用小學生觀點來解說
，他說用大一普物，不過大一普物有薛丁格這東西嗎？
順便用上色提出我的疑問好了。

 作者  askooen (刺刺的鳳梨)                                                   
 標題  Re: [新聞] 哈利波特小說成真！美造出隱形斗篷可讓 …                     
 時間  Thu May  7 13:26:51 2009                                               
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還麻煩你再幫我PO一篇，一再打擾相當抱歉，在下對此感激不盡


看到很多人不太懂，代PO的大大也想了解，我就試著簡單的解釋一下
希望大家看的懂，太專業的部分我會提醒要略過，但小學生程度實在無法解釋
我試著最多用大一普物的觀念來向各位闡述這個新研究

Metamaterials一開始起源於Pendry的一個研究，約在1996年左右
Pendry在研究一個人造物質，該物質有一個十分特別的特性
就是對某頻率的電磁波有著很大很大的吸收(就是電磁波的能量都被吃光變成熱)
深入研究後，Pendry發現是由於電磁波在該頻率和結構共振，進而產生極大電流
而根據焦耳定律，就會產生大量的熱耗損，這情況和普物裡面的RLC振盪結構相同

(焦耳定律我忘了，是吸收能量就會轉為熱能嗎？）

而時間到了1999年，Pendry從古早的一位俄國人，叫做Veselago論文中找到了靈感
Veselago在1968年提出了左手介質的概念(Left-handed material)
意思是說只要能找到電導係數(permitivity)和磁導係數(pemeability)同時為負時
就能做出折射率是負的介質，進而有一些異於直覺的的現象發生
而當時已經有人觀察到負的電導係數，就是所謂的電漿共振現象

如果白話一點，什麼叫做折射率為負？

但是卻沒有任何人發現自然中有存在負的磁導係數，而Veselago的論文就被冰了30年
一直到了Pendry，他想起96年那個研究，不也是共振結構嗎??
於是他在1999年就提出了同時利用電漿共振和他之前96年的結構
在波長夠長的情況之下(註.1)，等效成一個負折射率介質(但頻寬很窄，非常非常窄)
而在一次會議上，Pendry大力的宣揚他的想法和未來的遠景
但在當時受到的注意和現在比起來是天差地遠，會議結束後只有一個人和他討論
那個人就是美國Duke大學的David. R. Smith教授
(從一開始的論文的就看的出來重視程度，Pendry開始幾乎都在IEEE，現在都Science)

IEEE我就有印象了，之前好像羅仁成老師是會長

Smith對於Pendry的想法非常感興趣，在徹底了解Pendry的想法之後
他和Pendry分工，他做實驗，Pendry負責理論的部份
而他們倆在2000年，用幾乎只差兩個月的時間，在Science上分別發表了理論和實驗結果
我自己推測其實是說好的 XD，他們似乎是有計畫的把這個東西推上世界舞台
這時世界開始注意到這個議題，星星之火已經被點燃，但在2000年火還不夠大
這時Pendry在火苗上倒上了一桶油，就是他的那篇發在PRL的完美透鏡論文
但這篇論文起初的想法也來自Veselago，但Pendry給他賦予新生命
就是所謂的消逝波/衰減波(evanescent wave)重建(註.2)
這時大家對於這領域的熱情之火完全被引爆，該領域的文章迅速累積
各家研究者紛紛投入，傑出的有哪些之前我提過，不再贅述

到底什麼是完美透鏡？

2006年，Pendry和Smith忽然把注意力轉到了另一個部份，那就是隱形斗篷
隱形斗篷的原理其實不會很難，只要你會張量分析。但是要做出來卻不簡單
其實隱形斗篷的觀念只建立在物理定律在任何坐標系都應該相同
無論是愛因斯坦方程，馬克士威方程組，或是薛丁格方程都不會變
Pendry抓住這個想法，他利用張量分析的座標轉換設計出一種人造結構
其結構可以騙過電磁波不通過結構裡面，穿過後沒有任何散射的情況(註.3)
如此一來，你看的物體就會消失，因為你是看到物體後面未經散射的光線
因而造成隱形的效果，理論上來講，他是真的看不到，而且不是什麼鏡子或是投影
而Smith做出了實驗，但是在微波頻段而不是可見光(可見光還有很長的路要走)
而且做出來的隱形斗篷並不完美，但是也已經大幅修整了散射的光線
而這兩篇Paper也都是發在Science，成為隱形斗篷的先驅

現在對於隱形斗篷的研究，我在最近台大的一個Metamaterial Conference上
聽到香港科技大學的一位陳子亭教授(我不太確定中文是不是這樣，英文是Chih-tin
Chen)
他利用隱形斗篷再加以改良，讓A物體的散射波看起來像B物體的散射波
也就是說他如果擺顆芭樂在桌上，透過他的裝置你看起來會像香蕉
所以隱形斗篷其實就是對電磁波散射場加以控制，來達到隱形或是讓你目洨的效果

可以讓純美姐看起來像林志玲嗎？

但Metamaterial還有很多缺陷要克服，因為和共振扯上關係
導致它的高能量耗損和極窄的頻段，這些都是很大的缺點
目前大家也都朝解決這些問題的方向在前進，希望有朝一日能真正運用在生活上

這領域最近真的很熱門，無奈台灣對它的注意實在太少
希望我的文章能吸引更多人注意，甚至投入該研究，至少我覺得它是很有前瞻性的
謝謝大家，也再次謝謝代PO的人
大家有問題可以一起討論，但我不能在八卦PO文
或許可以丟我水球或是移到物理版討論
謝謝大家

註.1 長波長極限的意思就是我們現在所見的材料是透過可見光波來觀察
     但可見光波波長長度遠大於原子的尺度，這就是為什麼你看桌子
     不會看到一顆顆的原子，而是看到一張桌子，同樣的道理運用在這裡
     如果電磁波的波長遠大於我們做的結構，我們就可以看成一個介質
     但實際上Metamaterial是由很多的金屬環和線所組成的特殊結構
     只要它夠小，就可以把它當作一塊介質，有修過固態物理的人就會了解

註.2 所謂消逝波就是傳統光學(或是電磁學)沒辦法利用的部份
     它不會以傳播模態存在，而是以指數衰減的方式存在，而且衰減速度很快
     但消逝波是帶有一點資訊，它的損失就會造成所謂繞射極限的存在
     繞射極限就是你一個點光源聚焦，焦點不會是無限小，它會有一個極值
     該極值無法被超越，而Pendry利用平板透鏡打破了這個長達百年的規範
     張翔也從實驗上證明了這點，目前已是這領域大家已知的事實了

註.3 先給大家看一張圖
     http://www.esi-topics.com/nhp/2007/september-07-JohnPendry.html
     照片中的人就是Pendry，下面的圖就是隱形斗篷
     兩個球那張圖就是隱形斗篷，基本上就是電磁波不會進入裡面那顆球
     所以你把東西藏在裡面，電磁波就會繞過它，你就會看不到內部的東西
     這就是隱形斗篷，聽起來不難但是實際做有很大的困難
     有興趣的人可以去找Smith的網頁找這個實驗，看它的結構就知道有有多難做

註釋反而看不懂  囧



補個八掛：Pendry在1996年得到狄拉克獎章，2004年受封成爵士
看它的文章就可以知道他對自己非常有自信，因為非常多強烈的字眼
搞的你懷疑他的話，原因好像出在你太蠢，而不是他沒說清楚
他的Paper推導常常有很多計算錯誤，少加負號少加i是家常便飯
但最後結果卻都是對的，實在是金虎爛的一個人，但他確實有兩把刷子
或許對於計算這種小事都不太計較，才能成為真正的大師吧 Orzlll

計算、推導錯但答案對，老師會認為你作弊給你零分。


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謝謝原波的認真。

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推 newfolder:囧 為什麼計算錯誤結果卻是對的....
→ netsphere:快堆  要不然會被說看不懂
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推 chu630:原來是這樣阿 (點頭)
推 twcoco:他應該是有結果為了給別人看才去推導過程...　
推 broken543: Snake:( ￣ c￣)y▂ξ
→ Delicious0:為什麼推導 正負號不對沒加i 答案還是會對啊?....
推 fieed:應該說 最後的"觀念"是正確的
→ fieed:用"答案"這個詞 會讓版上太多人產生狹義的定義
→ F7788:有人可以解釋一下我前面的疑問嗎？
推 drwei:聽說天才的思考是跳躍式 他直接知道答案 推導寫給凡人看的啦
推 fieed:F7788回頭看一下折射率的定義 很容易就知道什麼是負折射率了
推 lightnsalt:負折射率應該用的是幾何光學的定義吧。
→ bpfox:這題是三四年前博士資格考的常客......
→ bpfox:perfect lens指的是 在光源不是diffraction-limited的條件下
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