当光波不再转弯

在科学研究的领域里,「基础科学研究」往往容易被忽视,难以得到外界的关注与大力支持。然而,总有一群热情的学者在许多被一般人视为理所当然的现象里,发挥想像力默默地研究,一点一滴地影响这个世界。

把笔直的筷子插入水中,从水面上看,底下筷子呈现曲折状。这么一个简单而自然的现象,却带给交通大学电机工程学系的黄瑞彬教授莫大的想像空间。根据司乃耳定律(Snell's Law),可以说明当「波」经过不同的介质时,会因折射率的不同而在介面有偏折的现象。自然界中各种介质的折射率不尽相同,其中最小的就属「空气」,等于1。黄教授的心理有个微小而广大的想法:「如果可以创造出折射率小于1,甚至是接近0的介质,应该会很有趣!」

西元2000年以前,世界上不曾出现折射率小于1的物质,而在过去十余年里,具有这种特性的人造介质,大部分结构都相当複杂,且製造成本过高,应用的机率偏低。黄教授的研究团队运用巧思,利用印刷电路製程製作次波长单晶格,仿照天然晶体材料的晶格排列方式,就可製造出结构简单、折射率又接近0的介质(以下简称「近零折射率介质」),大幅提高了应用的可能性。

举例而言,当波被激发出来并通过「近零折射率介质」与一般介质(如空气)的交界面时,它会朝向垂直界面的方向前进。这同时意味着,可以透过类似的思维设计人工介质,来操纵电磁波在人工介质中的传播特性,例如:波在通过介质后的前进方向、波的能量是可以不再靠分散装置而自然地被平均分配、把圆柱状波化为平面波等。

黄教授也分享了一些未来发展的可能,例如家用无线网路讯号的讯号波可以透过方向控制与能量重分配而做更有效的利用,讯号可统整集中在人们常活动的空间範围,而不浪费在其他地方。另外,「光波」(光是电磁波的一种呈现方式)在经过某个表面覆盖特殊物质的物体时,经由控制波的折射与反射,使所有光波不被物体阻隔或反弹,而是以类似「绕行」的方式继续前进;如此,就算隔着这个物体,仍可以「看见」它背后的影像,这个物体对我们而言就是隐形的。

「基础科学研究」往往是细微、理论且不被关注、重视的,黄教授笑说,如果离开学校研究,他可能找不到任何工作。这句话凸显了「基础科学研究」的无奈与困境。然而,有太多的新科技与产品都源自于这些基础科学研究学者所累积的梦想与成果的应用。只要持续研究的热情,也许哈利波特的隐形斗篷有朝一日会在新竹的某个实验室问世!

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