什么气体可以改变声音(改变人声音的气体)

我们被波浪所包围。微小的振动波将声音传送到我们的耳朵里。光波刺激着我们眼睛的视网膜。电磁波将广播、电视和无尽的流媒体内容带到我们的设备上。值得注意的是，所有这些不同的波在很大程度上受到相同的基本物理原理的支配。在过去的几年里，我们使用纳米级的材料来控制这些波的能力发生了一场革命，这些材料被称为超材料。

希腊语前缀meta的意思是 "超越"。这些工程材料让我们超越了波和物质相互作用的传统方式，创造了光和声音似乎不遵守传统规则的技术。这种新型材料的典型例子是：隐形斗篷，一种超材料涂层，可以将一个物体隐藏在众目睽睽之下。世界各地的一些研究团队，包括我的团队，已经设计和生产了超材料涂层，可以重新引导击中它们的光波，有效地防止光线从物体上反弹并到达我们的眼睛，甚至防止留下影子。尽管这些发明有局限性，它们并不完全是许多人想象中的哈利波特式的隐形斗篷，但它们与光的互动方式似乎很神奇。

斗篷只是超材料技术的一个例子。其他超材料允许光向一个方向传播，而不是向另一个方向传播。这是一种有价值的通信和探测物体的工具，并且可以打破几何和时间的对称性。有了现代纳米加工工具和对光与物质相互作用的更好理解，我们现在可以将超表面结构化，以产生我们能想到的任何图案、颜色和光学特征。

弯曲和扭曲的光

几个世纪以来，科学家们一直在努力控制光和声音的特性，因为它们与我们的感官系统相互作用。这一探索的早期成功是彩色玻璃的发明：古罗马人和埃及人学会了如何将金属盐融化到玻璃中来给它着色。分散在玻璃中的微小金属纳米粒子吸收了特定的波长，并让其他的波长通过，在我们今天仍然欣赏的杰作中创造出明亮的色彩。在17世纪，物理学家牛顿和胡克认识到，一些动物的色调和彩虹色是由其身体部位表面的纳米级图案创造的。这是纳米结构材料如何创造出令人惊讶的光学效果的另一个例子。

人类的眼睛在检测光的两个基本属性方面非常出色：它的强度（亮度）和它的波长，即它的颜色。光的第三个重要属性是它的偏振，它描述了光的电磁场在空间中随时间变化的轨迹。虽然人类无法用眼睛区分一种偏振和另一种偏振，但一些动物物种具有偏振敏感性，使它们能够看到更多的东西，更好地确定自己在周围环境中的方向，并向其他生物发出信号。

19世纪末，在麦克斯韦发现电磁学方程式的几年后，贾格迪什·钱德拉·博斯建造了我们可以称之为超材料的第一个例子。通过手动扭转黄麻纤维并将其排列成规则的阵列，他证明了线性偏振电磁波，其电场和磁场沿直线振荡的光在传播通过黄麻结构并与之相互作用时，会旋转其偏振。博斯的扭曲黄麻表明，有可能设计一种人造材料，以前所未有的方式控制光线。

超材料的现代时代可以追溯到2000年，当时杜克大学的物理学家大卫·R·史密斯、加州大学圣地亚哥分校已故的谢尔顿·舒尔茨和他们的同事创造了一种不同于以往的工程材料：具有负折射率的材料。当一束光从一种介质到另一种介质：例如从空气到玻璃其速度会发生变化，导致光束弯曲，或 "折射"。两种材料之间的折射率差异决定了这种弯曲的角度。

折射现象是大多数现代光学设备的基础，包括透镜和显示器，并解释了为什么水杯中的吸管看起来是破碎的。对于所有已知的自然材料来说，折射率是正的，这意味着光总是在界面的同一侧弯曲，与界面的角度大或小，是指数变化的函数。相反，进入具有负折射率的介质的光会向后弯曲，产生意想不到的光学效果，如一根稻草出现错误的倾斜。科学家们长期以来一直认为不可能找到或创造一种支持负折射的材料，一些人认为这将违反基本的物理原理。然而，当舒尔茨、史密斯和他们的同事将微小的铜环和导线结合在堆叠的电路板基板上时，他们证明了微波束通过这种工程材料时发生了负折射。这一惊人的进展表明，超材料可以产生比自然界更广泛的折射率，为全新的技术可能性打开了大门。从那时起，研究人员已经为广泛的频率创造了负指数材料，包括为可见光。

隐形技术

安德烈·阿卢（Andrea Alù）是纽约市立大学（CUNY）研究生中心的物理学家和工程师，他在CUNY高级科学研究中心指导光子学计划。

在这个最初的突破之后，大量的超材料研究集中在隐身方面。大约15年前，当安德烈·阿卢与美国宾夕法尼亚大学的纳德·恩格塔（Nader Engheta）合作时，他们设计了一个超材料外壳，通过使反弹到外壳上的光波抵消散射自隐身物体的光波，从而使一个物体无法被发现。无论它来自哪个方向，击中该结构的波将被斗篷重新定向，以抵消物体本身散射的波。因此，隐身物体将不可能通过外部照明被探测到：从电磁学的角度来看，它似乎不存在。

大约在同一时间，英国伦敦帝国学院的约翰·B·潘德利（John B. Pendry）和乌尔夫·莱昂哈特（Ulf Leonhardt）（现在在以色列雷霍沃特的魏茨曼科学研究所）提出了其他有趣的方法，使用超材料来隐身物体。而在几年内，各种实验演示将这些建议变成了现实。例如，安德烈·阿卢（Andrea Alù）的小组制作了一个三维隐身衣，可以大大减少从圆柱体上散射的无线电波，使其难以通过雷达探测到。现有的隐身技术可以通过吸收冲击波来隐藏物体不被雷达发现，但超材料隐身衣做得更好，因为它们不只是抑制反射波，它们重新引导传入的波，以消除散射和阴影，使被隐身的物体无法被发现。安德烈·阿卢和其他研究小组已经将隐身技术扩展到声波上，创造出无法被声纳设备探测的物体。其他科学家甚至还为热波和地震波制作了隐形装置。

然而，从这些设备到像电影中的隐形斗篷还有很长的路要走，它允许物体背后的多波长背景被照亮。我们现实生活中的隐形衣被限制在小尺寸或狭窄的工作波长。根本的挑战是与因果关系原则的竞争：在自由空间中，任何信息的传播速度都不能超过光速。不可能完全恢复背景电磁场，就像它们在不减慢速度的情况下穿过物体一样。

基于这些原则，安德烈·阿卢的小组已经证明：无法使用无源超材料涂层完全抑制一个物体在单一波长（单一颜色的光）以上的散射。即使科学家们只诱导部分透明，他们也面临着一个严重的权衡：被隐身的物体能有多大，他们能隐身多少种颜色的光。在可见光波长下对大型物体进行隐身仍然遥不可及，但可以对较小的物体和较长的波长使用超材料隐身，这为雷达、无线通信和高保真传感器提供了令人兴奋的机会，因为它们在运行时不会扰乱周围环境。对于其他类型的波，如声音，斗篷的限制较少，因为这些波的传播速度要慢得多。

空间对称性

为各种目的设计和应用超材料的一个特别强大的工具是对称的概念。对称性描述了一个物体在被翻转、旋转或以其他方式转换时不会发生变化的方面。它们在所有自然现象中发挥着基本作用。根据数学家埃米·诺特1915年的一个定理，物理系统中的任何对称性都会导致守恒定律。一个例子是时间对称性和能量守恒之间的联系：如果一个物理系统由不明确取决于时间的定律来描述，其总能量必须得到保留。同样，服从空间对称的系统，如在平移或旋转下保持不变的周期性晶体，保留了光的一些特性，如其偏振。通过以可控的方式打破对称性，我们可以设计超材料来克服和局部调整这些守恒定律，实现新形式的光控制和转换。

作为超材料设计中对称性的强大作用的一个例子，安德烈·阿卢的小组设计了一种光学超材料，可以有效地旋转穿过它的光的偏振。在某些方面，它是Bose的扭曲黄麻排列的纳米级版本。这种材料是由多层薄玻璃制成的，每一层都嵌有几十纳米长的金棒。首先，该小组在玻璃上创造出一层全部朝向某个方向的纳米棒。然后，他们再叠加第二层，它看起来与第一层相同，只他们把所有的棒子都旋转到一个特定的角度。下一层由进一步旋转了相同角度的纳米棒装饰，以此类推。

总的来说，这个堆栈只有大约一微米厚，但与天然周期性晶体相比，它具有特定程度的空间对称性被打破，在这种晶体中，分子都是排成直行的。当光线穿过这种薄的超材料时，它与金纳米棒相互作用，并被其表面的电子振荡所减缓。新出现的光：物质相互作用由晶体晶格的扭曲对称性控制，使传入的光的偏振在广泛的波长范围内大幅度旋转。这种形式的偏振控制可以使许多技术受益，如液晶显示器和制药业中使用的传感工具，这些技术依赖于偏振旋转，而偏振旋转在天然材料中出现的效率通常要低得多。

底层的旋转对称性在管理其他超材料反应方面也起着关键作用。麻省理工学院的巴勃罗·亚里略·赫雷罗（Pablo Jarillo-Herrero）小组最近表明，两层紧密间隔的石墨烯：每层只有一个原子小心翼翼地相对于彼此旋转一个精确的角度，就会出现惊人的超导性。这个特点是两层石墨烯单独不具备的，它允许电子以零阻力沿着材料流动，这都是因为扭曲所引起的对称性被打破。对于一个特定的旋转角度，两层中相邻原子之间出现的相互作用定义了一个全新的电子反应。

受到这个演示的启发，在2020年，安德烈·阿卢的小组展示了一个有点类似的现象可以发生，不是针对电子而是针对光。该小组使用了两层薄薄的三氧化钼（MoO3）的堆叠，并将其中一层相对于另一层旋转。单独地讲，每一层都是一个周期性的晶格，其中底层分子以重复的模式排列。当光进入这种材料时，它可以激发分子，使它们振动。某些波长的光，当偏振方向与分子一致时，会促使强烈的晶格振动，一种叫做声子共振的现象。然而，具有相同波长和垂直偏振的光产生的材料反应要弱得多，因为它不会驱动这些振动。可以利用光学反应中的这种强烈的不对称性，通过旋转一个层相对于第二个层来实现。扭转角度再次以戏剧性的方式控制和修改了双层的光学响应，使其与单层的光学响应非常不同。

例如，由放置在玻璃或银等传统材料表面的分子发出的光以圆形波纹向外流动，就像石头打在池塘表面一样。但是当两个MoO3层叠在一起时，改变扭曲角度可以极大地改变光学反应。对于晶体格之间的特定扭曲角度，光被迫只在一个特定的方向上传播，而不会在圆形波纹中扩展，这就是光子的超导性的类似物。这种现象为创建纳米级图像提供了可能性，超越了传统光学系统的分辨率限制，因为它可以不失真地传输图像的亚波长细节，有效地引导光线超越衍射所带来的限制。这些材料中的光与材料振动紧密相连，两者形成一个单一的准粒子：极子，其中光和物质紧密地交织在一起，为量子技术提供了一个令人兴奋的平台。

一个超材料在一个试验室中进行测试，可以非常精确地测量无线电和毫米波长的光。

时间上的对称性

对称性在超材料中的作用并不限于空间对称，比如被几何旋转打破的那种对称性。当安德烈·阿卢的小组试验打破时间反转对称时，事情变得更加有趣。

管理波现象的方程通常在时间上是可逆的：如果一个波能从A点到B点，它也能以同样的特征从B点回到A点。时间可逆的对称性解释了这样一种普遍的期望：如果我们能听到或看到某人，他们也能听到或看到我们。在波的传输中打破这种对称性，即所谓的互惠性，对许多应用都很重要。例如，无线电波的非对等传输可以实现更有效的无线通信，其中信号可以同时传输和接收而不受干扰，而且它可以防止你发出的信号被反射污染。光的非互惠性可以保护敏感的激光束源免受不必要的反射，并在雷达和激光雷达技术中提供同样的好处。

打破这种基本对称性的一个既定方法是利用磁现象。当铁氧体，一种具有磁性的非金属材料受到恒定磁场的影响时，其分子维持着微小的循环电流，这些电流以磁场方向决定的手性旋转。反过来，这些微观电流诱发了一种叫做泽曼分裂的现象：具有右手圆偏振（顺时针旋转的电场）的光波与这些分子相互作用，其能量不同于左手（逆时针）的光波。能量的差异与施加的磁场成正比。当一个线性偏振波穿过磁化铁氧体时，整体效果是旋转偏振，在某些方面与前面讨论的超材料相似。根本的区别在于，这里的偏振旋转的手性是由外部磁偏压决定的，而不是由超材料成分中的破缺对称性决定的。因此，在这些磁化材料中，当光朝一个方向移动时，它的偏振旋转具有相同的手性，而当它朝相反方向移动时，则具有相同的手性，这是违反互易性的特征。时间反转对称性现在被打破了。

我们可以利用这一现象，设计出只允许波在一个方向传播的设备。然而，很少有天然材料拥有实现这种效果所需的磁特性，而那些拥有这种特性的材料可能难以集成到基于硅的现代设备和技术中。在过去的几年里，超材料界一直在努力创造更有效的方法，在没有磁性材料的情况下打破波的相互性。

安德烈·阿卢的小组已经表明，我们可以用超材料中的机械旋转元件取代磁化铁氧体中的微小循环电流。我们通过使用小型电脑风扇在一个圆形铝制空腔内旋转空气，在一个单一的紧凑型声学设备中实现了这种效果，创造了第一个非互惠的声音设备。当我们打开风扇时，空腔共振的频率对于反转的声波来说是不同的，类似于齐曼分裂如何改变光在铁氧体中的相互作用的能量。因此，声波在这个旋转的腔体中经历了非常不同的相互作用，这取决于它在腔体中是顺时针还是逆时针传播。

然后，我们可以将声波非对等地，只在一个方向上穿过该装置。值得注意的是，创造这种效果所需的气流速度比声波的速度慢几百倍，这使得这项技术的开发相当简单。然后，这种紧凑的非互易装置可以构成超材料的基础，通过将这些元素连接到一个晶格中。这些工程晶体格子以非常不寻常的、非互惠的方式传输声音，让人联想到电子如何在拓扑绝缘体中以独特的特征进行传输。

弹性波的元表面可以赋予声音以高度不寻常的特征。三角形四角的微小磁铁控制着元面的形状，极大地改变了其声学特性。

弹性波的元表面可以赋予声音以高度不寻常的特征。三角形四角的微小磁铁控制着元表面的形状，极大地改变了其声学特性。

我们能对光使用类似的技巧吗？2018年，美国特拉维夫大学的塔尔·卡蒙（Tal Carmon）小组通过在千赫兹频率下旋转与光纤耦合的硬盘驱动器的读头，展示了一种类似的效果，证明了光在其中的非对等传输。研究人员的设置表明，机械旋转元件可以被用来迫使光只在一个方向上通过一个设备。一个可以说是更实用的途径是使用由时间变化的成分组成的超材料，这些成分在空间中以特定的模式被打开和关闭，模仿旋转。基于这些原则，安德烈·阿卢的小组已经创造了几种技术，作为非互换设备有效地运行。它们的小尺寸使我们能够轻松地将它们集成到更大的电子系统中。

我们还将这些技术扩展到热发射，即由热驱动的光辐射。所有的热体都会发光，一个被称为基尔霍夫热辐射定律的普遍原则指出，处于平衡状态的互惠材料必须以相同的速率吸收和发射热辐射。这种对称性为热能管理的设备设计和太阳能电池等能量收集设备引入了一些限制。通过采用与前面描述的类似的设计原则来打破光的相互性，我们正在设想不遵守吸收和发射之间对称性的系统。我们可以构造超材料来有效地吸收热量，而不需要像普通材料那样将吸收的一部分能量重新释放到源头，从而提高我们可以收获的能量。应用于静态力学，类似的原理也使我们能够创造出一种3-D打印的物体，它可以不对称地传递应用的静态机械力，一种单向的手套，可以施加压力而不感觉到后面的动作。

机械振动在元表面上传播，可以引导声音，并强烈地增强其与物质的相互作用。

更多的奇迹

超材料和破损的对称性所提供的操纵和控制波的机会并没有结束。科学家们一直在发现欺骗光和声音的新方法：例如，通过以新颖的方式将破碎的几何对称性和时间对称性相结合。超材料可以在智能建筑的墙壁和窗户上出现，以随意控制和引导电磁波。纳米结构的超表面可以将笨重的光学装置缩小到比人的头发还细的设备中，增强成像、传感和能量收集技术。声学和机械超材料可以以前所未有的控制程度来引导和控制声音。鉴于现代纳米加工技术、我们对光和物质相互作用的进一步理解以及复杂的材料科学和工程给我们带来的巨大机会，我们期待着更多的奇迹。

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