智利诗人巴勃罗·聂鲁达写道：“你每天都在玩弄宇宙的光。”加州大学圣迭戈分校的物理学家大卫·R·史密斯（David R. Smith）深谙此道。他每天都在思考如何以扭曲光线的方式来颠覆折射的常规模式。而他的思考绝非空穴来风。史密斯和一小群志同道合的研究人员正在制造镜像材料，这些材料最终可能带来实际应用，从更好的手机天线到能够在一张光盘上容纳100部电影的DVD。这些对光线的趣味性操纵，早被苏联物理学家、莫斯科俄罗斯科学院的维克多·维塞拉戈（Victor Veselago）那些长期被忽视的设想所预见。1964年，维塞拉戈提出了一个理论，认为物理定律允许创造一种他称之为“左手性”的材料，因为这种材料会以一种特殊的方式影响通过它的光或其他辐射。在常规材料中，前进的光线会伴随一个指向左边的电场和一个指向上的磁场。你可以想象成用右手拇指、食指和中指相互垂直地指向。而在维塞拉戈奇特的材料中，这些方向将是镜像反转的，因此会遵循左手的指法模式。
一组线圈和导线以新颖的方式弯曲微波。此类复合材料可以证实几年前看来异端邪说的物理理论。摄影：David R. Smith/UCSD 提供
这种看似简单的改变会导致一些非常奇特的后果。或许最令人惊讶的是负折射率，这是衡量给定材料如何弯曲光的指标。玻璃、水和所有其他已知物质都有正折射率。这就是为什么游泳池看起来比实际浅，以及为什么阳光穿过放大镜时会聚焦成一点。而一个左手性放大镜则会使光线发散，同时凹透镜甚至一块平面的左手性材料都能使光线聚焦。一切都非常奇怪。但维塞拉戈不知道如何制造这种材料，所以他的工作被埋没在 obscurity 中。
三十年后，伦敦帝国理工学院的约翰·彭德里（John Pendry）认识到，即使左手性材料在自然界中不存在，但构建具有左手性特征的复合结构或超材料（meta-materials）也可能是可能的。这类超材料的构建模块将是微小的金属结构，它们会以新颖的方式集体响应电场和磁场。例如，物质内的电荷通常会试图与施加的电场对齐。但在由细导线组成的阵列中，表面电子响应迟缓且不同步，因此电荷会相互抵消而不是对齐电场。1999年，彭德里及其在帝国理工学院和英国北安普敦郡的Marconi Caswell Limited的同事进行了计算，证明了一个分裂的金属环——一个有小缺口的圆环，就像字母“C”——可以表现出类似反向的磁场响应。
描述这项工作的两篇论文引起了史密斯和加州大学圣迭戈分校的另一位物理学家谢尔登·舒尔茨（Sheldon Schultz）的注意，他们开始着手制造一种全功能的左手性材料。他们发现，双分裂环（一个金属环嵌套在另一个里面）比单分裂环效果更好。经过一些实验，史密斯、舒尔茨和研究生理查德·谢尔比（Richard Shelby）在一个标准玻璃纤维印刷电路板的一面铜膜上蚀刻了分裂环阵列。然后在另一面添加了平行金属导线阵列。这些环和导线共同颠覆了光的电和磁性质。最后，研究人员将这些电路板以直角方式插入，就像酒箱里的纸板隔层一样，从而创造了一个左手性棱镜。
下一步是测试这种材料是否会像维塞拉戈设想的那样弯曲光波。分裂环的设计只对波长比环的尺寸（约五分之一英寸宽）更长的波长有效。这远大于可见光，而是微波的波长。因此，研究人员将微波束通过他们的超材料来探索其特性。去年春天，他们报告了他们的结果：微波的弯曲表明折射率为-2.7的负折射率。
一块正常的右手性材料（上）会稍微分散光线。左手性材料（下）会将光线聚焦。理论上，这样的平板可以充当超显微镜。图由Matt Zang绘制
国防先进研究项目局（Defense Advanced Research Projects Agency）决定资助超材料研发，旨在开发“在通信、雷达和无线电力传输应用方面具有优越微波和/或光学特性的超材料”。圣迭戈研究团队制造的左手性材料符合要求。“具有负折射率的超材料可以降低许多无线通信设备的使用成本并提高其性能，”史密斯解释道。他和他的同事们还与朗讯科技（Lucent Technologies）合作，探索制造能够处理高数据传输速率天线的方法。由于其反转的特性，左手性材料可能使得在靠近放置多个天线的同时产生最小的干扰。“我们还没有开始探索微波频率的应用，更不用说光学频率的应用了，”史密斯说。
彭德里已经对可见光左手性材料的用途有了设想。他已经证明它可以充当完美的透镜。传统透镜无法揭示比其聚焦的光波长更小的细节，因此它们在数百纳米（约1/100,000英寸）处遇到了分辨率的瓶颈。这种限制适用于所有在空间中传播的光。但奇怪的是，并非所有光都在传播。在所有发光或反光物体周围还存在一种静止的电磁辉光，称为近场。近场包含通常在图像中丢失的精细细节，但它的范围非常窄——仅几十纳米——普通光学无法触及。2000年，彭德里认识到，由左手性材料组成的平坦透镜可以聚焦和放大近场辐射，从而产生分辨率远小于一个波长的图像。圣迭戈研究团队去年的实验证实，至少对于微波而言，这样的透镜确实可以存在。
然而，工程师们真正渴望的是一个能够弯曲可见光的完美透镜。这样他们就能在计算机芯片上蚀刻更小的电路，或者在一张DVD上刻录更多数据点，或者研究材料表面上目前看不见的物理过程。要实现这样的目标，就需要将左手性材料的组件缩小10,000倍或更多。史密斯解释说，他们的研究团队的设计不适用于短于红外的波长，因为金属的电学性质在较小的尺度下会发生变化。“我们开发的材料目前还没有光学类似物，”他说。
光子晶体——一种基本构建模块是微小球体的复合材料——或许能够为可见光提供负折射率。“但这种有效的负折射率似乎在近场方面没有相同的非凡特性，因此光学版本的应用前景尚不明确，”史密斯说。彭德里则朝着另一个方向发展，他正在开发一种卷曲的超材料，可以弯曲长波长的无线电波。他希望利用它来聚焦用于MRI扫描成像的波，以便医生能够精确地定位身体的一个小区域。
尽管他正在考虑实际应用，彭德里仍然惊叹于大自然竟然允许左手性世界的存在。“人们对这种行为感到惊讶，包括我自己。有时我觉得自己像个异端，”他说道。 x
大卫·史密斯和他在加州大学圣迭戈分校的同事解释了他们关于左手性材料的工作：www-physics.ucsd.edu/lhmedia。
