“超材料”相機：讓機場安檢變得更方便
今年1月份，史密斯的團隊宣布，他們已經研發出了另外一款“超材料”設備：一臺不需要鏡頭或任何移動零件就能制造出微波壓縮圖像的相機，這一設備或許有助于降低機場安檢的成本和復雜性。
在目前的機場安檢內，掃描設備必須對物體周圍或物體之上的一臺微波傳感器進行徹底掃描，這會產生大量數據，而在對這些數據進行處理之前，必須要將其存儲起來，而杜克大學的研究團隊研制出的設備則不需要存儲很多數據。該設備會朝物體以10次/秒的速度發送多種波長的微波束，從而為物體拍攝多張快照。當微波被物體反射回來后，會落在一條纖薄而狹窄的四方形銅質“超材料”元件上，每一塊元件能被調諧，從而或阻止或讓反射的輻射通過。每塊元件會將一張被掃描物體的簡化快照傳輸進一個傳感器內，傳感器再對每幅快照發出的輻射總強度進行測量，隨后輸出一系列數值，這些數值能被進行數字化處理，從而構建出一張該物體經過高度壓縮的圖像。
不過，史密斯團隊也承認，這僅僅邁出了第一步。迄今為止，展示出的圖像都很粗糙，只是簡單的金屬物體的二維圖像。德里斯科爾表示，獲得復雜物體的三維圖像是科學家們面臨的巨大挑戰。但是，如果這一挑戰能被克服，機場或許會讓目前笨重且昂貴的安檢設備下崗，用大量纖薄廉價且同計算機緊密相連的“超材料”照相機來代替。德里斯科爾表示，這一轉變有望讓安檢掃描擴展到機場的各個房間、過道、走道以及其他敏感的設施內。
史密斯團隊目前的主要目標是研發出一種堅固且有市場潛力的“超材料”設備，其并不局限于無線電、微波或紅外波長。如果這一技術能同可見光合作，它們將變得更有用，可以用于光纖通訊或面向消費者的照相機和顯示器內。
史密斯研究團隊的史蒂芬·拉潤徹表示：“要做到這一點并不容易”。他解釋道，對于任何給定類型的光波，只有元件及其之間的間隔比該光波的波長小，“超材料”才能施展和發揮它們神奇的能力。因此，我們使用的波長越短，“超材料”元件的塊頭就應該越小。
在光譜的微波和無線電區域內，做到這一點相對來說還比較容易：這一范圍的波長從幾分米到幾米不等；但一款光學的“超材料”元件的測量單位則低至微米以下。不過，拉潤徹表示，這也并非不可能，今天的高性能微芯片內就包含有僅僅幾十納米寬的零件，不過，與這些從本質上來說靜止不變的零件不同，很多應用領域里使用的“超材料”元件需要通過軟件來按需改變其屬性，所以，這也大大增加了其制造難度。
“超級鏡頭”能平面聚焦
盡管存在不少困難，但科學家們已經開始著手設計一些能發揮作用的光學“超材料”元件。例如，今年3月份，美國南安普敦大學光電研究中心副主任、物理學家尼古拉·正路德福領導的研究團隊發表文章稱，他們新研制的納米“超材料”零件由電控制，能顯著提升傳輸或反射光波的能力，這些超材料零件由金薄膜蝕刻而成，這種設備有望成為高速光纖通訊網絡中的開關。
與此同時，因為在光學尺度上很難制造出三維“超材料”陣列并對其進行控制，所以，有些研究人員轉而開始專注于研究二維的“超表面”。
2012年8月，美國哈佛大學的實驗物理學家費德里科·卡帕索展示了一款平面的“超材料”鏡頭，其能像玻璃鏡頭那樣，將紅外線聚焦到一點上。卡帕索表示：“我不敢說這完全是新鮮事物，但我相信，我們是全球首個將平面光學用于商業產品的團隊。”
傳統鏡頭通過讓光穿過不同厚度的玻璃產生的折射從而讓光聚焦到一點，而卡帕索團隊研制出的鏡頭則讓光通過一個金“超材料”元件組成的二維陣列做到這一點。這一“超材料”元件陣列由為微芯片工業而研發的電子束光刻技術從一塊60納米厚的硅晶圓上蝕刻出來。金元件被固定，因此，裝配后不能再被調整。但是，通過在制造過程中選擇特定的大小和間距，物理學家們能讓給定波長的光以精確的方式正確地聚焦到某一點上。
不過，卡帕索警告稱，這樣的平面鏡頭距離商用或許仍然要等上數十年。部分原因在于，硅本身是一種堅硬且易碎的材質，不容易蝕刻，為此，研究人員們正在探索更堅固且柔韌、更容易在生產線上進行處理的替代品；他們也在尋找更好的對納米元件進行蝕刻的方法。
但卡帕索對此非常樂觀，他說，一旦這一技術被我們掌握，很顯然，我們可以將其用于智能手機的照相機里。現在，電池和鏡頭是導致智能手機很難變纖薄的主因，如果使用平面照相機鏡頭，智能手機可以做得“像信用卡一樣纖薄”。而且，這種平面鏡頭也避免了玻璃鏡頭很容易產生的偏差，這意味著他們最新研制出的這種平面鏡頭有望被用來制造更好、無偏差的顯微鏡。
盡管這種鏡頭也會存在衍射極限的問題，但它們最終會變得很好。衍射極限指的是傳統鏡頭無法捕獲照射在物體上的比光的波長更小的“蛛絲馬跡”。對于可見光來說，這一極限約為200納米，但是，由“超材料”制成的“超級鏡頭”能超越這樣的極限，這就使科學家們能夠看到被拍攝對象亞波長范圍內的信息，比如活體細胞內的病毒或不斷發生變化的結構等。
其實，早在2005年，美國加州大學伯克利分校的物理學家張翔（音譯）領導的研究團隊就最先演示了一款概念性的“超級鏡頭”，其使用的“超材料”是由一層35納米厚的銀置于鉻和塑料組成的納米層中形成的納米“三明治”。
從那時起，該研究團隊的努力目標就是讓這一“超級鏡頭”變得更加完美。功夫不負有心人，2007年，該研究團隊研制出了一種更加精良的“超超級透鏡”。這一“超超級透鏡”由銀、鋁和石英等化合物層嵌套制成。這種鏡頭不僅能捕捉轉瞬即逝的波，而且能放入傳統的光學系統中使用，因此，科學家們或許能借助這一設備，通過標準的顯微鏡目鏡查看到亞波長的細節。
可逆聚焦有助于制造更微小的結構
通過讓傳統的光學設備同由“超材料”制成的超級透鏡和超超級透鏡“聯姻”，張翔希望最終能為這些設備找到除了顯微鏡之外的其他應用領域。就像這些結構能放大亞波長的細節，它們也能逆向運行，將光束導入亞波長的聚焦點，這一點對于使用影印石板術來制造微型結構非常重要。
如果超級透鏡和超超級透鏡能夠做到這一點，那么，科學家們就可以使用超精細的光束來蝕刻目前還無法達到的更小結構，這將極大地增強光學設備的數據存儲密度，也能使一塊計算機芯片上駐扎更多元件。
史密斯對此比較謹慎，他強調稱，與目前正在研發的其他先進平板印刷技術相比，超級透鏡和超超級透鏡趨向驅散更多光能。他表示，這使得它們成為“強大且富有競爭力但至今未能找到實際用途的技術”。不過，他也表示，張翔的嘗試是“英雄般的實驗，從根本上展示了‘超材料’所擁有的潛能”。
張翔也承認，對于超級透鏡和超超級透鏡來說，最好的時代還沒有到來。但他相信，在未來幾年，科學家們會對這些技術進行精煉和改進，讓其變得更加實用。他說：“這些技術會給經濟發展帶來巨大影響。超材料、超級透鏡將被證明真的具有創新性，對此，我持謹慎樂觀的態度。我們如何處理和使用‘超材料’的唯一局限是我們的想象，只有想不到，沒有做不到。”
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