當光波不再轉彎

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吳美枝｜《科學發展》特約文字編輯

在科學研究的領域裡，「基礎科學研究」往往容易被忽視，難以得到外界的關注與大力支持。然而，總有一群熱情的學者在許多被一般人視為理所當然的現象裡，發揮想像力默默地研究，一點一滴地影響這個世界。

把筆直的筷子插入水中，從水面上看，底下筷子呈現曲折狀。這麼一個簡單而自然的現象，卻帶給交通大學電機工程學系的黃瑞彬教授莫大的想像空間。根據司乃耳定律（Snell's Law），可以說明當「波」經過不同的介質時，會因折射率的不同而在介面有偏折的現象。自然界中各種介質的折射率不盡相同，其中最小的就屬「空氣」，等於1。黃教授的心理有個微小而廣大的想法：「如果可以創造出折射率小於1，甚至是接近0的介質，應該會很有趣！」

西元2000年以前，世界上不曾出現折射率小於1的物質，而在過去十餘年裡，具有這種特性的人造介質，大部分結構都相當複雜，且製造成本過高，應用的機率偏低。黃教授的研究團隊運用巧思，利用印刷電路製程製作次波長單晶格，仿照天然晶體材料的晶格排列方式，就可製造出結構簡單、折射率又接近0的介質（以下簡稱「近零折射率介質」），大幅提高了應用的可能性。

舉例而言，當波被激發出來並通過「近零折射率介質」與一般介質（如空氣）的交界面時，它會朝向垂直界面的方向前進。這同時意味著，可以透過類似的思維設計人工介質，來操縱電磁波在人工介質中的傳播特性，例如：波在通過介質後的前進方向、波的能量是可以不再靠分散裝置而自然地被平均分配、把圓柱狀波化為平面波等。

黃教授也分享了一些未來發展的可能，例如家用無線網路訊號的訊號波可以透過方向控制與能量重分配而做更有效的利用，訊號可統整集中在人們常活動的空間範圍，而不浪費在其他地方。另外，「光波」（光是電磁波的一種呈現方式）在經過某個表面覆蓋特殊物質的物體時，經由控制波的折射與反射，使所有光波不被物體阻隔或反彈，而是以類似「繞行」的方式繼續前進；如此，就算隔著這個物體，仍可以「看見」它背後的影像，這個物體對我們而言就是隱形的。

「基礎科學研究」往往是細微、理論且不被關注、重視的，黃教授笑說，如果離開學校研究，他可能找不到任何工作。這句話凸顯了「基礎科學研究」的無奈與困境。然而，有太多的新科技與產品都源自於這些基礎科學研究學者所累積的夢想與成果的應用。只要持續研究的熱情，也許哈利波特的隱形斗篷有朝一日會在新竹的某個實驗室問世！

資料來源

《科學發展》2012年10月，478期，72 ~ 73頁

折射(20) 電波(36) 單晶(5) 科發月刊(5221)

當光波不再轉彎

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