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我国科学家验证“光学黑洞”理论

来源:科学时报
2009年12月31日16:11

电磁黑洞捕捉电磁波,引导电磁波螺旋式地行进,直至被吸收

  本报讯 近日,在国家自然科学基金和“973”项目的资助下,东南大学教授崔铁军课题组在“电磁黑洞”的研究上又取得了重要进展。他们首次使用构建的实验装置模拟了微波频段的“电磁黑洞”,并在微波频段实验验证了普渡大学科学家提出的“光学黑洞”理论方案。

  所谓黑洞,很容易让人望文生义地想象成一个“大黑窟窿”,其实不然,黑洞一般被认为是引力场达到临界状态的某个区域,可吸收碰到甚至靠近它的一切物体,它的引力场是如此之强,就连光也不能逃脱出来。作为本世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一,许多科学家正在为揭开黑洞的神秘面纱而辛勤工作着,新的理论也不断地提出。

  事实上,这种基于引力场的黑洞很难在实验室里用实验来模拟和验证,但人们可以通过类比方法来研究它的部分性质。电磁黑洞就是其中之一。据悉,崔铁军小组所构建的这个人造电磁黑洞由谐振和非谐振型的新型人工电磁材料构成,通过应用电磁波在非均匀介质中的传播轨迹来类比物质在引力场下弯曲空间中的运动轨迹,并以此模拟黑洞的部分特性。他们的实验结果表明,电磁黑洞能够全向捕捉电磁波,引导电磁波螺旋式地行进,直至被黑洞吸收。在微波频段,黑洞对电磁波的吸收率可达到99%以上。

  上述研究成果于物理在线预印网站arXiv.org公布后,立即受到了国际主流科技媒体的极大关注。英国的《自然》、《新科学家》,美国的《发现》、《科学美国人》、《MIT技术评论》、《物理科学》等刊物都对这项工作作了详细报道,并邀请专家展开评论。新型人工电磁材料学科的创始人之一、伦敦帝国学院的Pendry博士在《科学美国人》的评论中认为,“这一新研究构建了吸收电磁波的全新方法,同时又可以控制电磁波的吸收辐射”。由于对电磁波的高效吸收性,电磁黑洞可望在电磁隐身等方面获得重要应用。

  崔铁军在实验中所用到的新型人工电磁材料(Metamaterial,或称超材料),是指将具有特定几何形状的亚波长宏观基本单元周期性或非周期性地排列所构成的人工材料。它与传统材料的区别在于用宏观尺寸单元代替了原来微观尺寸的原子或分子。因此,新型人工电磁材料的特性取决于其基本单元结构。人们可以通过人为地设计单元结构来控制材料属性,构成自然界不存在的特殊结构材料,进而控制电磁波的传播。

  崔铁军研究组关于新型人工电磁材料的研究一直受到国家自然科学基金的持续资助。在今年年初,崔铁军小组就与杜克大学史密斯教授研究小组合作,在“隐身大衣”研究上迈出了新的一步,他们利用新型人工电磁材料研制出具有频带宽、损耗小的微波频段地面目标的隐身衣。这一研究成果发表在美国《科学》杂志上,崔铁军和史密斯是这篇论文的共同通信作者。他们研制的隐身大衣实际上更像一条“隐身地毯”,将它盖在某个目标上,可以实现对这个目标的宽带隐身。上述论文发表后,同样引起了国际重要科技媒体的广泛关注。(陈晨)

责任编辑:罗园
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