自古以来，人们就一直在尝试利用光，珍惜黄金等闪亮的金属，并切割宝石以使其更加闪耀。如今，我们在利用这种无处不在的能量方面已经取得了很大的进步。
从 19 世纪开始实验，我们开始探索控制光如何与物质相互作用。
将多种材料组合成复杂的结构让我们能够以新的方式利用光。我们制作透镜和镜子，制作望远镜来观察宇宙，制作显微镜来探索微小的世界。
今天这项工作仍在继续，并且更加详细。我自己的研究进入所谓的“超材料”探索了我们如何以令人惊奇的方式构建材料，以实现以前不可能实现的事情。
我们可以制造超材料，使其以特定方式对特定频率的光作出反应。例如，我们可以为红外摄像机创建智能滤光片，让用户轻松判断信封中的白色粉末是小苏打还是炭疽，判断皮肤黑色素瘤是良性还是恶性，以及无需破坏混凝土即可找到地下室的下水道管道。这些只是一种设备的几种应用；总体而言，超材料的强大功能要强大得多。
利用光
科学家所说的“光”不仅仅是我们能看到的东西，还包括所有电磁辐射– 从低频无线电波到高频X射线。
通常情况下，光穿过材料的速度较慢。例如，可见光穿过玻璃的速度比穿过空气的速度慢 33%。材料对特定频率的光传输的基本阻力称为其“折射率”。虽然这个数字会随着光的频率而变化，但它从 1（真空的折射率）开始上升。折射率越高，光移动得越慢，路径弯曲得越多。这可以通过观察一杯水中的吸管（见下文）是我们制造眼镜、望远镜和其他光学器件镜片的基础。
科学家们一直想知道他们能否制造出在任何给定频率下折射率为负的材料。这意味着，例如，当光线进入材料时，光线会向相反的方向弯曲，从而可以制造出新型透镜。自然界中没有任何东西属于这一类。这种材料的特性– 如果它存在 – 被预测维克托·韦塞拉戈1967年。
这些奇怪的材料具有与我们日常生活中的经历相比非常奇怪的特性。在下面的图片中，我们看到两杯水，每杯水里都有一根吸管。左边的图片是正常情况下的情况——吸管在水中的部分看起来与吸管在空气中的部分断开了。图像被位移是因为空气和水对光的折射不同。
右图显示了如果液体是具有负折射率的材料，吸管的外观。由于光线向相反方向弯曲，图像被反转，从而产生了观察到的幻觉。
左图：正常折射。右图：模拟负折射。带吸管的水杯（普通）来自 shutterstock.com
虽然韦谢拉戈在 20 世纪 60 年代末就设想过这些材料，但他无法想出制造它们的方法。又过了 30 年，约翰·彭德里发表论文1996，1998和1999描述如何制造一种复合人造材料，他称之为超材料。
一种早期的超材料，使用铜开口环和铜线的重复元件。DR Smith 等，左手超材料，载于《光子晶体和光局域化》，CM Soukoulis 编辑（荷兰克鲁维尔，2000 年）。，CC BY-ND
制作超材料
这项工作随后进行了实验David R. Smith 的团队于 2000 年，该团队使用电路板上的铜开口环和一定长度的铜线作为重复元件，创建了一种超材料。下图显示了他的团队制作的一个例子。开口环和铜柱的大小和形状决定了超材料调谐到的光频率。这些组件的组合与入射光相互作用，创建一个具有完全设计的有效折射率的区域。
目前，我们只能构建能够管理与电磁波谱特定部分相互作用的超材料。
电磁波谱显示所有类型的光，包括窄带可见光。菲利普·罗南，CC BY-SA
Smith 团队最初在微波部分开展研究，因为使用较长的波长会使超材料的构建更容易，因为开口环和销的多个副本必须适合一个波长的光的空间。由于研究人员使用较短的波长，超材料组件需要小得多，这更难构建。
自首次实验以来，多个研究小组已经制作出可在红外波段工作的超材料；其中一些超材料位于可见光谱的边缘。对于这些短波长，电路板、铜线和引脚都太大了。相反，这些结构必须使用类似于制造计算机芯片的微纳米制造技术。
创造“隐形”
第一批超材料制造出来后不久，研究人员就开始设计它们有用的应用。其中一项备受关注的应用是创建“隐形斗篷”
通常情况下，如果微波雷达瞄准一个物体，部分辐射会被吸收，部分会反射。传感器可以检测到这些干扰，并重建该物体的本来面貌。如果物体被超材料斗篷包围，那么雷达信号就会绕着物体弯曲，既不会被吸收，也不会被反射——就好像物体从未存在过一样。
通过在物体表面创建超材料层，你可以改变照射到物体上的光线。为什么这很重要？当你看着一池静止的水时，看到自己的倒影并不奇怪。当你在晚上用手电筒照池塘时，部分光束会反射到远处的树木上。
现在想象一下，你可以用一种适用于所有可见光谱的超材料覆盖池塘表面。这将消除所有反射——你不会看到自己的倒影，也不会看到任何反射到树林里的光线。
这种控制对于确定哪种类型的光可以进入或离开材料或设备非常有用。例如，太阳能电池可以涂上超材料，这种超材料只允许特定（例如可见）频率的光转换为电能，并将所有其他光反射到另一个设备，该设备将剩余的能量收集为热量。
波浪工程的未来
工程师们现在正在制造具有动态响应的超材料，这意味着其特性会根据通过它的电流量或照射到它的光线而变化。例如，动态超材料滤波器可能只允许近红外光通过，直到通电，此时它只允许中红外光通过。这种“调节”超材料响应性的能力在未来的应用方面具有巨大的潜力，包括我们目前无法想象的用途。
超材料与光相互作用的奇妙可能性令人惊叹，其原理的应用范围非常广泛。预测产生这些光效应所需结构的数学原理同样适用于材料与任何类型的波的相互作用。
德国的一个研究小组成功地创造了热斗篷，通过弯曲周围的热流来防止某个区域升温——就像隐形斗篷弯曲光线一样。该原理也用于声波，甚至还被讨论用于地震振动。这为让建筑物在地震中“隐形”提供了可能性！我们才刚刚开始发现我们还能如何使用超材料及其基本原理。
