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科學家長期以來的一個夢想,被復旦大學的研究人員向前推進了關鍵一步。
近日,復旦大學教授黃吉平團隊在《物理評論快報》發表最新成果,首次在實驗上實現了"雙零散射"隱形,一臺裝置不僅對外部環境毫無影響,就連包裹它的超材料外殼內部,也保持了完全正常的物理狀態。
這是隱形技術領域迄今最接近"真正透明"的一次實驗驗證。
超材料是一類經過精心設計、具有天然材料所不具備的特殊性能的人工材料。過去二十年,材料科學家一直試圖用超材料打造"隱形斗篷",讓被包裹的裝置不干擾周圍的電磁場、熱場或其他物理場,從而在探測手段面前"消失"。
這個方向取得了不少進展,但始終有一個頑固的缺陷:斗篷能讓外部環境看起來一切正常,但被包裹物體和超材料外殼之間的區域,往往處于嚴重的物理場扭曲狀態。
打個比方,這就像一個人穿著偽裝服站在人群中,從外面看完全融入了背景,但偽裝服里面的人卻熱得滿身大汗,狀態一塌糊涂。從嚴格意義上說,這樣的裝置并沒有實現真正的隱形,它只是"對外隱形",而非"全局透明"。
黃吉平在接受采訪時直接指出了這個行業困境:"在很多情況下,超材料可以消除對周圍環境的干擾,但這往往會在超材料內部制造出新的干擾。一個問題的解決,代價是制造了另一個問題。"
復旦團隊的解題思路分成兩步。
第一步,沿用常規方法,用超材料外殼消除裝置對外部環境的擾動,讓外部溫度場看起來完全正常。第二步,引入額外的坐標變換,對超材料殼體內部的溫度分布進行修正,讓內部的溫度分布同樣保持規律和無擾動狀態。
內外同時"歸零",這正是"雙零散射"的含義。
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要在實驗上實現這一設想,最大的挑戰在于如何制造具有特殊各向異性熱性質的超材料,即讓熱能在材料內部按照設計好的路徑精確流動。這種微觀結構的設計極其復雜,研究團隊引入了深度學習算法來完成這項任務,由AI生成滿足所需熱性質的微觀結構方案。
樣品制造完成后,團隊在溫度梯度條件下進行了測試,并用紅外相機實時觀察溫度分布。結果顯示,裝置內外的等溫線全部保持筆直,沒有任何彎曲或扭曲,完全符合理論預測。
"實驗確認,裝置內外的溫度保持不變,"黃吉平說,"我們首次實現了擴散系統中真正的透明。"
這次實驗的舞臺是熱場,但背后的數學框架通用性極強。控制熱擴散的方程,與描述聲波、光波乃至機械振動的方程在數學形式上高度相似。這意味著,今天在熱場中驗證的雙零散射方法,理論上可以平移到聲學隱形、光學隱形和振動隔離等領域。
黃吉平已經明確表示,團隊下一步計劃將這一框架推廣到聲波、光和機械振動的控制中,并探索與人工智能結合,打造能夠自動適應環境變化的"智能隱形"系統。
在具體應用上,熱透明傳感器是最直接的近期目標。普通溫度傳感器有一個固有缺陷:傳感器本身會改變它所在位置的溫度,導致測量結果存在系統誤差。而基于雙零散射原理制造的傳感器,理論上可以在不擾動被測溫度場的情況下完成測量,這對精密醫療檢測和量子計算散熱管理等場景極具價值。
在量子計算領域,任何細微的熱擾動都可能引入計算誤差。一個真正熱透明的溫控系統,有望成為提升量子比特穩定性的關鍵工具之一。
黃吉平團隊的這項成果,讓科幻小說里的隱形技術,又向現實靠近了一格。
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