【新知】制造“微波黑洞”

如果研制出能够适应多种光照条件和气候条件的“光学黑洞”外壳，就可以大大提高太阳能电池的使用寿命，增加其经济价值

“黑洞”大概是近代物理学中最具传奇色彩的研究对象，它引力强大、行为怪异，一旦落入其中，就连光都别想逃出来。它看起来就像是一个纯理论的怪胎，跟我们的实际生活毫无关系。

去年10月，东南大学的两位科学家崔铁军和程强，利用曾被用来制作“隐身斗篷”的超材料（metamaterial），制造了人类历史上第一个“光学黑洞”——“微波黑洞”。从此，“黑洞”不再只是遥不可及的狂想和理论。不过，和传统意义上的黑洞不同，“微波黑洞”并不产生超强引力场，而且它喜欢的“食物”只有微波。

和光一样，微波也是一种电磁波。它的波长在几毫米到几分米之间，是可见光波长的数万倍，而传播的速度和光速一样。由于不同介质对电磁场的“敏感度” （介电常数）不同，其中的光速也不同。例如，水中的光速大约是真空中的75%，而钻石中的光速只有真空的41%左右。这进一步导致了生活中最常见的折射现象，就好像汽车行驶时，齐头并进的两个前轮，其中一个轮子驶入沙地突然减速，而另一个轮子保持速度不变，汽车必然会转向沙地的方向；同样，一组齐头并进的光波的波阵面，以一定角度从一种介质（如空气）向另一种介质（如水）传播时，也会由于光速突然变化（降低）而改变传播的方向。

去年年初，美国普渡大学的物理学家提出，如果能为光波量身定做一种介质，使得光波进入之后像在黑洞附近那样不断地转向而又无法逃脱，我们就可能制造出第一个“光学黑洞”。理论上，人们需要一种不均匀的柱形光学介质，它有一个外壳和一个内核。如果外壳中的介电常数像引力场一样，随着半径的增加而平方反比地衰减，那么任何从水平方向射入的光波，都会随着介电常数的变化而乖乖地折射。每前进一段距离就发生一次折射，光波就像在黑洞附近的行为一样，最终螺旋着进入核心，再也无法逃脱出来。

自然界中并不存在这样的不均匀介质，通常认为，制造它需要镀膜、掺杂等复杂的材料工艺。而超材料的出现，大大简化了这个过程。超材料的特性并非来自于其中的微观单元的内在属性，而是比原子尺度大得多的宏观结构。这和晶体管一个道理：晶体管只是会放大输入端的电流，它形成集成电路这样的特殊结构时，就能够成为一台计算机。近几年炒得沸沸扬扬的“隐身衣”，就是利用了一种超材料。

为了制造“光学黑洞”的外壳，科学家借助于一种“I”型结构超材料——它的形状像大写的英文字母“I”。当其大小跟微波波长相当（毫米级别）时，它的有效介电常数也会随着尺寸的变大而相应变大。这个有效介电常数只对微波有效，所以人们能够得到的是 “微波黑洞”。科学家把这个“微波黑洞”分为60层，里面20层是一种吸收微波的超材料，外面40层就是“I”型结构组成的同心圆外壳。为了让介电常数满足平方反比定律，每一层“I”型结构的尺寸，也必须随着半径的不同而进行精确地调整，这样微波才会乖乖地钻入“微波黑洞”之内。

对于波长是微波万分之几的可见光来说，这个用于囚禁微波的牢笼过于庞大。如果要制造吸收可见光的“光学黑洞”，就必须借助适用于可见光的（超）材料，并将其尺寸控制在纳米级别。如果这样的“光学黑洞”研制成功，也许会为太阳能利用提供新的思路——据业内人士预计，如果研制出能够适应多种光照条件和气候条件的“光学黑洞”外壳，就可把太阳能电池的发电部分从室外搬到室内，从而大大提高其使用寿命，增加其经济价值。同时，发电装置的集中，意味着无用热能也更加集中，我们可以更有效地利用发电时剩余的热能。

（韩见对本文亦有贡献）