我們周遭充滿了各種波：微小振動的波把聲音傳入我們耳中，光波刺激我們眼中的視網膜，電磁波把廣播、電視和各種串流內容傳送到我們的接收裝置。神奇的是，這些不同的波大致上都遵循相同的基本物理原理。近幾年來，以奈米工程材料控制這些波的技術大幅躍進，這類材料稱為超材料（metamaterial）。

字首meta源自希臘文，是「超越」的意思。這類工程材料讓科學家得以超越波與物質產生作用的傳統方式，開發出能使光和聲音看似違反傳統法則的科技。「隱形斗篷」便是這類新穎材料的代表範例，這種超材料遮罩可讓物體在視線中消失。全世界已有多個研究團隊（包含我的團隊）設計並製作超材料遮罩。這類遮罩可使入射光轉向，遮蔽物體反射的光不會進入觀看者的眼睛，甚至不會形成陰影。雖然這類發明仍有其限制，和許多人想像如電影「哈利波特」裡的隱形斗篷不同，但它們與光產生的交互作用看起來就像魔法般神奇。

隱形斗篷只是這類超材料科技的例子之一。其他超材料可讓光朝特定方向行進而不會返回，在通訊和偵測物體的相關領域是重要工具，這是藉由破壞時間或空間的對稱性。透過現代的奈米製造工具，加上對於光與物質產生交互作用的深入理解，現在能製造出超表面（metasurface），呈現各種可以想到的圖樣、色彩和光學特徵。

讓光轉彎或旋轉

幾個世紀來，科學家致力於控制光及聲音與感官系統產生交互作用時所呈現的特性。這個追尋過程的最早期成果是彩色玻璃：古羅馬人和古埃及人在玻璃中加入熔化的金屬鹽，把玻璃染色。這些分散在玻璃中的微小金屬奈米粒子會吸收特定波長的光，其他的光則穿透，呈現出至今仍然令人讚歎不已的鮮豔色彩。17世紀牛頓（Isaac Newton）和虎克（Robert Hooke）發現，有些動物身體的顏色和虹彩是源自表面的奈米尺度圖樣。這也是奈米結構材料造成驚人光學效果的例子。

人眼擅長感知光的兩種基本性質，分別是光的強度（亮度）以及波長（也就是顏色）。光的第三種重要性質是偏振（polarization），也就是光隨著時間在空間中形成的電磁場軌跡。雖然人眼無法分辨出不同的偏振，但有些動物具有感知偏振的能力，因此能看到周遭更多訊息、更能分辨方向，並且發送訊號給其他生物。

19世紀末葉，在馬克士威（James Clerk Maxwell）發現電磁學方程式幾年後，波斯（Jagadish Chandra Bose）製造出首件堪稱超材料的範例。他把黃麻纖維扭轉成圓柱狀，並加以規則排列，藉此證明了線偏振電磁波（linearly polarized electromagnetic wave，電場與磁場沿直線振動的光）穿透黃麻結構並產生交互作用時，偏振方向會旋轉。波斯的黃麻纖維證明，運用人造材料，有可能以前所未有的方式控制光。

現今超材料時代的開端，約可追溯至2000年，美國杜克大學物理學家史密斯（David R. Smith）和加州大學聖地牙哥分校的舒爾茨（Sheldon Schultz）等人製作出折射率為負值的工程材料，可說是前所未見。折射是指光束從一種介質進入另一種介質時（例如從空氣進入玻璃），會因為速度改變而偏折。偏折的角度取決於兩種介質材料的折射率差異。

折射現象是鏡頭和顯示器等多數現代光學裝置的基礎，並且可以解釋吸管插入水中時為什麼看起來像是斷成兩截。目前已知的所有自然材料，折射率都是正值，意思是光永遠往介面的同側偏折，與介面間的角度大小則取決於折射率。相反地，光進入折射率為負值的介質時，將朝相反方向偏折，形成意想不到的光學效果，例如吸管看似朝相反方向傾斜。長久以來，科學家認為不可能發現或製作出負折射率的材料，有些科學家甚至主張這違反基本物理原理。然而，史密斯和舒爾茨等人把微小的銅環和銅線裝設在堆疊的電路板上，演示了微波束穿透這個工程材料時出現負折射率現象。這項重大進展證明了超材料的折射率範圍比自然材料更廣，因而開啟全新科技的可能。後來研究人員也針對可見光等其他頻率，製作出負折射率的材料。


(繪圖：Jen Christiansen)

隱形騙術

有了這項初步突破後，許多超材料研究都把目光集中在隱形。大約15年前，我和美國賓州大學的恩格塔（Nader Engheta）合作設計了一款超材料遮罩。這款遮罩所反射的光波，可以抵消物體本身向外散射的光波，因此偵測不到這個物體。無論來自什麼方向的光波，穿透這個結構時，都會因隱形遮罩而轉向，抵消物體本身散射的光波，因此，藉由外部照明無法看見遮罩內的物體。從電磁學的觀點看來，這個物體彷彿不存在。

大約同時，英國倫敦帝國學院的朋瑞（John B. Pendry）和目前任職於以色列魏茲曼科學學院的雷昂哈特（Ulf Leonhardt）提出以超材料使物體隱形的另一種有趣方法。……