还记得哈利波特隐形斗篷吗？在光子学研究中，用斗篷将任意物体隐藏在距离物体较远的地方是一项独特任务，尽管这种现象在实践中尚未实现。在最近发表在《光:科学与应用》(Light: Science & Applications)上的一项研究中，微纳电子与智能系统重点实验室、中国现代光学仪器国家重点实验室的陈天航等人提出了远程隐身装置首次实验实现，该装置可以使用直流频率使位于特定距离的任何物体隐形。包括一个负电阻网络与有源元件，以实现远程功能的直流斗篷。基于该网络，Chen等人能够利用斗篷远程生成一个隐藏区域，而不扭曲远离被斗篷区域的电流。
博科园-科学科普：这样物体就可以继续与其环境交互。研究表明，任何隐藏区域物体对直流探测器来说都是不可见的，斗篷不需要事先知道该物体，因此可以隐藏任意物体。科学家们展示了这种远程隐身装置的优越性，它在未来的医学或地质研究中有潜在的应用前景。转换光学可以用来设计一种隐形斗篷，它可以引导电磁波绕过隐形区域而不受任何干扰。之前关于斗篷和幻觉装置的研究涉及到将装置包裹起来，防止它与外部环境的互动（作用）。为了解决这个问题，科学家们基于“反物体”的概念，提出了一种可以远距离隐藏物体的远程斗篷。
（图示）左：两种直流隐身原理图。a)常规隐身和b)远程隐身。右：应用变换的示意图。(a)用背景媒体对虚拟空间进行网格划分。(b)定义多重折叠变换后的物理空间网格。(c)从传统斗篷到远程斗篷的转变示意图。图片：Light: Science & Applications, doi: 10.1038/s41377-019-0141-2
实验结果是在一定距离上得到，而隐藏物体则保持了空间与背景环境的连续性。然而，这种“反物体”斗篷只针对已知尺寸或参数的隐藏物体设计，因此，物体尺寸、形状及其位置的微小变化会影响入射场的精确恢复。因此，“反对象”不能像传统斗篷那样隐藏任意对象。为了克服这一限制，科学家们先前提出了一种多倍变换光学方法来设计远程隐身来隐藏任意形状的物体。然而，这样的设计需要双负片材料，很难实现。因此，远程隐藏任意对象仍处于概念阶段，还有待实验验证。在本研究中，Chen等人首次提出了一种远程隐身装置的实验实现，该装置利用直流频率用斗篷隐藏任意物体。
设计了具有多折变换光学元件的远程直流隐身装置，并实现了带有有源元件的负电阻网络，为实现直流隐身的远程功能发挥了重要作用。隐形衣可以在不扭曲电流的情况下远程生成一个隐藏区域。科学家们展示了隐藏区域的不同物体是如何不可见。在实验设置中，Chen等人比较了两种隐身方式；包括一个封闭，传统斗篷和远程隐形在直流频率。远程斗篷可以由一个元素或多个元素构成，研究中以两个元素为例。科学家们首先将自由空间转化为一件方形斗篷，然后进行第二次转化，折叠方形斗篷以打开它。本研究中的隐区仍然保持了与背景环境的空间连续性，同时完全与外界的电流场隔离。
（图示）在三种不同的情况下，模拟了电流从点源流过时的电位分布。a)只有均匀的各向同性背景，b)作为隐藏对象的圆形绝缘体，c)带有远程斗篷的隐藏对象。d) y = - x - 0.45(m)线上的电势。紫色圆圈和橙色虚线分别代表斗篷和背景情况，而红线仅代表对象情况。图片：Light: Science & Applications, doi: 10.1038/s41377-019-0141-2
使得隐区中的任意静态物体都可以在不可见情况下自由地在区域内移动。Chen等人报道的这种现象与之前的DC斗篷完全不同，之前的斗篷性能取决于隐藏物体的形状和导电性。科学家们使用COMSOL Multiphysics软件对隐身衣进行了有限元分析模拟。模拟的电流从点源流过斗篷。Chen等人在模拟的右上角使用了一个稳态电流源，在三种不同的场景下模拟了电流从点源流过的电位分布。为了验证斗篷与物体无关的性能，Chen等人测试了另外两个隐藏的物体;方形绝缘体和圆形导体。
模拟不同隐藏对象或位置下的等电位线模式，当电源放置在不同的位置时，中心物体有一个方形绝缘体、b个圆形导体和c个。图片：Light: Science & Applications, doi: 10.1038/s41377-019-0141-2
测量了电势，并与背景和物体单独的情况进行了比较，两者之间有很好的一致性；表明隐身性能与物体的大小和形状无关。为了演示远端隐身衣的全方位效果，Chen等人模拟了相对于隐身衣不同位置的稳态电流源，隐身装置仍按预期工作。然而，他们发现，当斗篷和物体之间的距离增加时，斗篷会包含更多的负参数。因此，在仿真过程中，计算复杂度和内存消耗也随之增加。总之，研究中生成的模拟提供了一个例子来验证远程斗篷的概念。为了实验验证这一概念，Chen等人设计并制作了远程斗篷样品。斗篷需要各向异性和负导电性才能实现复杂介质。
科学家们使用“基于网格”的变换光学设计各向异性电导率，同时使用带有活性元素的负介质设计负电导率。观察到，直流负导电性材料提供了电位“上升”时，电流通过该材料。在直流频率下，电阻器和电源可以组合在一起，并简化为一个单一的电源与电源。为了实际实现这种有效的负介质，科学家们用电压跟随器提供了所需的电势。为了实际实施实验，他们用了四块电路板来实现负电阻。为了验证该设备的性能，科学家们以60x60cm尺寸制作了整个电路板，并使用表面安装的器件(SMD)电阻实现了所需的电导率。
（图示）左:有效负介质(电阻)示意图。a)理想负电阻器。b)应用阻抗匹配模块等效负电阻。c)简化双源模块。右:负介质在直流频率下的电路设计。(a)基于电压跟随器的泄压电路阵列示意图。(b)具有31个等效负电阻脚的预制PCB(印刷电路板)子电路。图片：Light: Science & Applications, doi: 10.1038/s41377-019-0141-2.
然后设计了负极介质、隐身物体和边界匹配，并将独立电路板与主板分开，便于更换。科学家们测量了三个不同隐藏物体的结果，包括圆形导体和方形绝缘体。结果表明，等电位线呈“圆形”，好像什么都没有，表明实验设计在实际中工作正常。实验结果是可能的，因为实验设置消除了不同隐藏对象造成的失真，以表明良好的隐藏功能。Chen等人对三次实验的电位衰减从源头进行了分析，结果与无目标背景下的结果吻合较好，进一步强化了实验结果。所提议的远程隐身衣的性能与目标无关。
通过这种方式，Chen等人首次用直流频率实验证明了一种适用于远距离任意物体的远程斗篷。由于使用的电子元件是直流静态元件，因此隐形衣比那些设计成高频的要稳定得多。最重要的是，斗篷能够在物体与周围环境保持物理联系时，借助有源元件引导隐藏物体周围的电流。例如，这种任意的物体可以埋在地下，在一定距离的物体上安装隐身装置，使其在地质电流传感器下不可见，用于地质研究。此外，这种隐形衣还可以在医学上有潜在的应用，以防止对植入体内的设备干扰等。
实验设置（b - d)实验中，当电流从点源流过带有三个不同物体的远端隐身罩时，测量到电势分布：b圆形绝缘子，c)圆形导体(完美导电体，PEC)， d)方形绝缘子。e) y = x(m)线上与无目标背景下的测量电势。圆圈、三角形和正方形虚线分别用于这三种情况。图片：Light: Science & Applications, doi: 10.1038/s41377-019-0141-2.
博科园-科学科普｜研究/来自: CopyrightScience X Network/Thamarasee Jeewandara/Phys
参考期刊文献:《物理评论快报》,《Light: Science & ApplicationsScience》
DOI: 10.1038/s41377-019-0141-2
DOI: 10.1126/science.1125907
DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.053902
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