科学驱动下的技术进步，为什么要讲科学驱动下的技术进步？国内非常急迫的要发展科学和技术，但实际上科学是技术的源头，没有科学就没有技术。当初，贝尔实验室花了几十年科学的积累，最后才有了晶体管，以及这些新的通讯技术，重大技术都是要漫长时间的积累。

我目前在美国国家自然基金会的纳米科学与工程中心（NSF Nano-scale Science and Engineering Center (NSEC），主要集中研究光子器件方面——包括超小型的光源和集成光子，对通讯的技术意义极其重大；另外一个方向就是力学。力学是门古老的科学，有关力学的应用，大家会想到飞机大炮的制造，它不仅在这些发明创造做起到关键性作用，也被应用在未来的革命中，比如在生物检测。

张翔在高山大学的课堂上，与学员们分享光学原理

加州大学伯克利分校是第一个创造出纳米流体的三极管，计算机是用二极管来做，流体在里面流动的话也可以做同样的事情，只不过它处理的是生物的信息。我们其中一位教授发明了一整套流体的三极管技术，和超灵敏的生物传感器，这可以被用来检测早期的癌症。这其中还用到了一个科学发现——拉曼散射。它被发现之后，大概大概五十年之内都没什么用，一直到最近二十年左右的时间才被利用起来，因为没有纳米技术就不好把它信号增强，它的信号是10的大概负15次方。

在检测早期癌症的研究中，我们与其他的医院合作，他们的医生给我们病人的细胞，如果一个人有癌症的时候，如果感到哪个地方不舒服了，去医院检查做核磁共振已经是太迟了，那个细胞一般都要长到铅笔芯这么大了。所以我们在考虑如何让癌症尽早被发现。

人患癌早期，体内的癌细胞很少，就是几个或者几十个，人一点感觉不到，但这时它已经分泌特征性的分子出来在你体内循环，如果这个分子很少的话那就很难测，这就用到了拉曼散射这一套灵敏的光学系统，10的负十几次方它都能测得到，所以用这个技术我们发明了一整套的来测早期的癌症检测。这些实际上是横跨光电和生物方面的探索，当然我们有三十几位教授，所以不同的人做不同的事。

我个人这些年主要是专注在超材料的研究上，比如隐身材料。这里我要讲的材料实际上是精细材料，比如，钻石。钻石是由晶体组成的，晶体排列非常整齐。学过物理的人都知道，晶体不能乱排的，比如说这个晶格排成这样的，原子排成这样，你要旋转两次可以，四次可以，但你不能旋转五次，五次它回不到原来的地方，后来有人发现了五次对称，得了诺贝尔奖。

元素周期表一共有一百多种，伯克利校园就发现了十三种。大家可能都会问原子一百多种太少了吧？但实际上单单“硅”这一种元素就足以塑造了现在的电子工业。当然，作为科学家，我们也希望可以发现越来越多元素，就像企业家不断想把企业做大一样。

作为科学家，我们还可以用人造原子来做一些新花样。人造原子是个广泛的概念。人造原子可以被用来解决地震问题，比如，在加州，整个地面就像玻璃一样的，每天都有二级地震，但是大地震如果来临就会带来毁灭性的的结果，因为加州人口众多，这一带还有几千家高科技公司。这一震不得了，我一直在想办法解决这个问题，我的一个学生毕业之前找到了方法，实际上就用人造原子这个概念来做，这个解决地震的方法对于日本这样地震多发区意义极其重大，这就是人造原子带来的实际价值。

人造的原子可大可小，晶体结构是对电子来传播的，所以电子传播了以后发现这个晶体不同的排列，会给到不同的性质，常见的三种为：半导体、绝缘体和导体。人造原子也是一样，它对不同的波，比如光波、声波、无线电波会有不同的作用。那地震来说，如果通过一种方式消除地表波，地震就会消失了，氯化钠的复合分子也能做这个事，那么我先讲一下电磁，因为我比较关注是电磁波和声波这两件事。

关于声波，我们最近做了一个很有意思的事情，比如我面前有两个人挨着，我可以和其中一个人说话，另外一个听不见。这都是超材料可以做到的事情，通过超材料，它可以让声音转弯，让子弹不按直线传播.

我现在讲一下光的科学原理，自然界很奇怪就给了我们三块，这一块基本上是很多水、玻璃在第一个地方，第二个地方是金属，铁、铜这些，第三个地方是磁性材料。有些科学家喜欢琢磨，尤其搞理论的，如果光走的路径会反过来的话，这是一个很大的事，因为自然界不存在这个现象，不存在这个材料，它有什么用我后面再讲。

图左是常规材料，图右是产生负折射率的超材料，光线的方向是不一样的

这里有一个很重要的概念——折射率。什么叫折射率？就是光进来，这里是空气、这里是水，光进来要折一折，吸管插在水里，被我们看到的是断掉的，这是一个光学的效应，就是光从空气里面进来它要折射的，因为这两个折射率不一样，也就是它的密度不一样，它折射了以后给你的视觉就是这两个是断掉的，这个大家都知道，但是任何自然界的材料这个折射率都是正的，因为它只是给了三个象限，爱因斯坦讲过，光传播的速度在任何介质里面，空气、水、玻璃都不能超过3×10的8次方米/秒，这是极限，所以大家都比它慢，要比在空气里面慢1.3倍，所以造成了这个现象，但是人家想一想说这个速度能不能是负的？没人说这个事，爱因斯坦也说这个必须是正的，因为自然界材料没有这个负的材料，所以我们当时在想没有负的怎么办？所以我们在2008年发了一篇文章就发现了负的折射率的材料。

负折射率的作用下，鱼可以“跳出”水面游动

负的折射率会有什么现象？这个实际上是科学的一个很有趣的现象，如果你看水中的鱼，它比你看到的还深一点，因为它有折射率的问题，这都无所谓，就深一点浅一点都在水里面，如果这个水换成负的折射率的水，看上去这鱼就是倒过来在空中游。

如果这个现象成立，我们做了一个事情，就是说怎么样来用超材料做，也就是说用人工的原子来实现，我可以赋予人造原子不同的原子的不同的性质，原子上面来说是没有限制。

哈利波特的隐身斗篷

负折射率材料实际上有两个重大的应用，一是能突破衍射极限，就是本来看不到的东西能看到了，还有一个东西是相反的，是本来能看到的东西看不到了，什么东西能看得到呢？任何东西大于波长基本上都能看到。远小于波长的话它就没有散射，散射很弱，它也看不到了。

隐身衣的原理：光波从一端进来穿过物体从另外一端出去，光波在物体里面还是传播的，它传播出来的时候跟原来是一样的

比如隐身衣，隐身衣的科学原理是什么呢？所谓隐身实际上是光波从左边进来穿过这个东西从右边出去，这个东西因为大于波长就要散射，一散射我们就直接能看到，现在很多所谓的隐身都是涂料，实际上还是可以看到的。特殊的涂料涂上去以后黑了，黑了以后我还看到影子，这个东西真正隐身的话应该是光波在里面还是传播的，它传播出来的时候跟原来是一样的。打个形象的比喻，一条流动的河中间有个大石头，石头流过的时候波会出来，湍流什么出来，你在下游会看到，但如果我在旁边造了一个东西让它就顺着这个东西过去，你在下游看不到流动，就会认为那个石头不存在。

当然你要使它看不到不是个容易的事，也就是说光波的传播是有位相的，位相的要求很高，因为空气是最小的，折射率是1，在自然界没有比空气再小了，做到隐身功能，材料的折射率要小于1，使它跑的快，出来的时候正好跟它是一道出来，这个里面还有很多数学难题需要解决，也就是说这个空间本来是个均匀的空间，我在这个地方挖一个洞出来把旁边挤一挤，挤出来这么一个空间出来，挤了以后边上你要按照我挤出来这个东西来做一个东西，这样的话你光线才能绕过去，我就不讲这个理论了，它有一整套数学的理论来做这个事。

隐身材料可以让凹凸的材料看上去很平坦

我们根据这个理论可以设计这个空间，想出来一个地毯隐身衣的想法。比如地下铺了个地毯，地毯如果没铺好中间有一个折的东西，这个东西比较大的话你能看到鼓出来一个东西，如果上面罩一个隐身衣的话就看不到，看上去就是平的，怎么来设计这个事情？也就是说这是实际空间，这是虚拟空间，我要从实际空间到虚拟空间做个数学变化，这个数学变化要求我在这个上面要罩一个隐身衣，罩在凸出来这个东西上面，这里面要根据数学的变化来设计，折射率必须是这样的变化才能保证我光进来了以后这边人看着这个光反射过来是一个平的地。

隐身的东西我是做了像一个防空洞一样的东西，装在里面就装一个鸡蛋装什么都可以，我做一个壳出来，这个文章发了以后我儿子那时七八岁，他说“爸爸，你这个东西不好，一个东西还这么大，我要戴在头上到银行里面抢钱的话，戴一个这么大的东西，人没到这个东西先给人碰到了还不行，最好是像真正戴一个头套的东西”，这个东西去年才做出来，就是说很薄的一层，不同人戴这个东西都可以隐身的，就是说和你这个人面孔的形状就没关系了。

但穿上隐身衣，你也看不见外面了。当然这个问题并不是没解的，这个问题我们也在做，也在做另外一个课题叫做光的非对称传播，这个是有办法，只不过我们现在还没做到这上面，有一句话在光学里面叫做我能看到你，你能看到我，我看不到你，你也看不到我，这叫光的可逆性，现在其实光学在过去七年发展了一套理论出来，我们也在做这个事，就是光的不可逆性来做这个事情，当然我们还没用到这个上面。

隐身这个东西现在还有另外一种做法，上海交大一个学生做的蛮有意思的，他是反隐身，反隐身就是本来不存在的东西现在存在了，中国有个武侠小说叫穿墙而过，武功练的好可以穿过墙，它看上去是一堵墙，实心的墙，人能穿过去，墙本来是一个洞在那个地方，但是光学上面变换以后使它连起来。

还有我一个学生在做变换光学更有意思，就是说苹果看上去像橘子，橘子像苹果，或者是男的像女的，女的像男的，这个原则上是可以变的，现在这个技术在硅谷就是比较时髦的虚拟现实与增强现实，现在丰田公司就用我们这一套方法做了第一个，大概在三个月以前发布会已经做出来了。他们可以在汽车上面做一些事情，比如隐掉一些面板，这样看起来更简单一些。

什么是超材料？结构单元远小于波长的，实际上它是一个合成材料，人造原子可大可小，这个东西组成了一个复合体，复合体你只要精心的设计每个原子的特性，它比波长要小，所以你打一个光波或者声波，它一个机体会响应，而这种响应我们希望是自然界没有的响应，不存在的性质。

当然了，我们希望这个新的性质能带来革命性的物理和器件，就是科学和应用，同时我们觉得一旦设计好这个东西以后，就可以填满上帝没有给到我们的那1/4的空间。我们在电子器件的时候要用光刻机，这是做芯片最主要的机器，光刻机现在可以刻到头发丝的千分之一到万分之一这么大，就要非常细，大概是三十个纳米左右。光刻机随着精度越来越小，造价越来越大，现在一台光刻机已经到一亿美元。

但目前中国也在做光刻机，但是非常不容易，但还是有赶超国外的机会，这是因为，目前国外也遇到瓶颈了。我在二十年以前都在喊狼来了，因为电子器件摩尔定律要到头了，但是科学家还是蛮伟大，每过一些年头都会搞一点新的东西出来，再把它延长寿命一下，现在已经到三十纳米了，再往下走能走多少也是一个很大的问题，而谁走得快，中国有可能会在这个上面会赶超一下，这是个机会。

光刻机目前价格昂贵，在伯克利，我们做了一款精度差不多，但价格是一般光刻机的千分之一或者百分之一，我们花了十五年时间一直在做这个事，现在已经有小批量生产了。我们在做的另外一件事就是超高精度的核磁共振成像，医学上成像核磁共振是非常重要的，有什么问题都去看看，肿瘤多大了什么东西，但是精度是取决于磁场能转弯转多少次，这个还是很低的频率，都是微波的频率，如果它能来回转得更快，精度就更高，美国国立卫生研究院（National Institutes of Health，简称NIH）现在最高的精度核磁共振成像是大概是半个毫米左右，再小就看不到了，那么能不能做超高精度的？现在我们正在尝试。

而且所有的光学工程师、科学家就和一个东西打交道，就是电的性质来决定光的折射率，这个在教科书里面已经写了两百多年。为什么自然界材料没有磁性？就是因为磁这个东西在物理里面是很有趣的一个东西，它是一个偶极子，讲出来就像一对夫妻必须要在一起一样，不能是单身的，而电子可以是单身的，电子就像游击队员，它打一枪换个地方，它跑得很快，电子可以跑得很快，但是磁一旦形成偶极子一对夫妻了以后，它必须群居，也就是说这个社区必须住在一起，几万对夫妻必须形成一个社区，他们形成一个磁畴，就相当于大家都挨在一起排成一个方队。

有科学家在多年前提出了，我们用这个材料，母材料可以是任何金属，比如说铁、金、铜，做成线圈以后你就会发现它有磁性响应。我们下一个事情想做的就是利用这个磁性组成一种新的材料。