使光線反過來折射

Posted on 2009/12/21 in 物理新知, 知識通訊評論, 科技報導 with 尚無留言 2,976 views

使光線反過來折射
知識通訊評論第53期

科學家最近宣稱他們已在可見光波長的範圍內，做出了負折射效應。這種效應，未來也許可用來發展對微小物體造影的透鏡或是使物體隱形的裝置。

我們有沒有辦法操控可見光，讓它往錯誤的方向折曲？如果可以做到這樣的話，那麼可以讓小於光線波長東西成像的透鏡，或是可讓東西隱形的遮罩之類的這些新奇的未來裝置，就非常可能異想成真了。

一些科學家斷言，在可見光的範圍內做到這樣的「負折射」 (negative refraction) ，實際上是不可能的；但是如今卻有個研究小組聲稱說已經做到這點，這也引發一場關於什麼才真的算是折射的辯論。

光線從一種介質穿透到另一種介質，會以特定的方式折曲，這稱之為折射效應。負折射則是在描述光線以相反的方向折曲，只有在光波的波峰與波谷行進的方向，跟光波本身行進的方向相反的時候，才會發生這種情況。

具有負折射率的物質，會讓光線完全聚焦，而不是使其散射。倫敦大學帝國學院的潘德利 (John Pendry) ，因此預測說可以做出一種「完美」的透鏡，可對小於光線波長的東西進行造影。有些人斷言說折射率永遠只能是正值，但是在二○○三年時，有人展示微波跟紅外線雷射的負折射現象，讓批評人士啞口無言。

插在一杯水裡的稻草因為折射現象，看起來像是斷掉了一樣；但假如水有負的折射率，斷掉的方向就會倒反過來，製造出驚人的效果。我們可以看見水面下方的情況，但杯底反而看不清楚。

研究者利用超穎材質 (metamaterial) ，達到負折射的效果。超穎材質具有一些跟光線波長大約一樣大的成分，最近潘德利使用一種超穎材質，讓圍繞在某個物體附近的光線折曲，製造出微波的「隱形遮罩」。

但是要讓可見光也達到類似的效果，看起來似乎還遙不可及。微波輻射波長以微米計，紅外線輻射波長則是幾公分，所以要用來對它們製造出負折射的材料成分，也必須採用相類似的尺度。然而要建造可以跟可見光對應，波長短到五百奈米左右的東西，可是個巨大的挑戰。

如今，美國加州理工學院阿特瓦特 (harry Atwater) 領導研究小組裡的迪奧妮 (Jennifer Dionne) 跟萊錫克 (Henri Lezec) ，首次發表一種他們聲稱具有可見光負折射率的材料。迪奧妮於一月十一日，在奧地利席菲爾德市舉辦的奈米光電與超穎材質研討會「奈米超穎二○○七」 (Nanometa 2007) 發表研究結果，該研究小組也將研究結果送交出版。

光電理論學家並不試著創造出一種具有跟可見光波長一樣小的成分材質，他們提議利用一種稱為「表面電漿子」 (surface plasmon) 的電磁波，來將光線導向想要的方向。表面電漿子是在光線撞擊在金屬表面震盪的自由電子時，製造出來的產物。這正是迪奧妮跟萊錫克現在做到的事，他們製造出一台稱之為「光波導引器」 (waveguide) 的裝置，是由兩片銀箔中間夾著一層絕緣的氮化矽所組成。

光線透過上層銀箔的一條細縫射入裝置內，光波一射進去，就會與銀箔上震盪的電子結合，製造出沿著金屬表面行進的表面電漿子波。但是有個鍍金的三稜鏡鑲嵌在氮化矽夾層中，與上層銀箔之間僅有一條五十奈米寬的溝槽；表面電漿子波一跨過這條溝槽，就會受到折射。迪奧妮表示，她已經偵測到裝置內浮現出來，波長介於四百八十奈米到五百三十奈米（藍光到綠光）之間的光線，產生負折射效應，負折射率可以低到負五（相較之下，光線從空氣進入水中，折射率為正一點三三）。

讓表面電漿子穿透三稜鏡上方的細長縫隙，可侷限其行進，因此只有一種表面電漿子可射入裝置之內。在某種光線波長之下，表面電漿子波的頻率，非常接近金屬本體內震盪電子的頻率；在這種情況下，表面電漿子波與震盪電子會產生相互作用，導致波峰波谷的行進方向逆轉，而造成負折射效應。

對迪奧妮而言，「暗中刺探」的目標已經達成。她說這看起來好像煉金術一樣，但真的管用。

這個研究領域裡的其他人則對此比較謹慎保守。美國亞特蘭大市喬治亞州立大學理論物理學家史托克曼 (Mark Stockman) ，對於這套系統低效率的情況表示關切，他指出只有大約百分之一的光線得以進入裝置裡面。迪奧妮強調說，進入的光線已經夠她直接測得折射現象，並表示她認為還有改善空間。

另外還有些人對於這套裝置是否真的做出負折射效應持疑。也在嘗試製造可見光負折射現象的英國索福特大學理論物理學家伯德曼 (Allan Boardman) ，以及美國印第安那州西拉法葉市普渡大學的夏拉耶夫 (Vladimir Shalaev) 爭論說，這項實驗只顯示電漿子有負折射現象，而不是光線本身。伯德曼說這本質上並不是負折射，該研究團隊還得要對實驗結果多下功夫。

不過像是英國南安普敦大學的澤魯戴夫 (Nikolay Zheludev) 等人，則說這並不重要，反正最終結果還是一樣。澤魯戴夫表示，如果這一切均屬實，那就是一項重大的宣告。美國加州大學洛杉磯分校的超穎材質與電漿學專家雅布洛諾維奇 (Eli Yablonovitch) 同意這樣的看法，表示該研究團隊確實做出了負折射現象，他不覺得裡頭有什麼爭議之處。