AP专访| “隐身斗篷”开拓者John Pendry谈变换光学
• 翻译：罗宇 南洋理工大学
近日，中国激光杂志社和SPIE联合创办的新刊Advanced Photonics正式出版。Advanced Photonics对“隐身斗篷”开拓者英国帝国理工学院Sir John Pendry教授进行了专访，并发表John Pendry教授团队变换光学的综述文章。
变换光学理论源于爱因斯坦的广义相对论。该理论告诉我们大质量天体产生的强引力场可以扭曲时空，从而使经过天体周围的光线轨迹发生改变。然而，扭曲时空一定需要引力场吗？2006年，帝国理工学院的物理学家Sir John Pendry教授将变换光学与超材料结合，发现当材料介电常数和磁导率满足一定关系时，电磁波在介质中会沿给定的曲线传播，并且不产生反射，从而模拟出扭曲的时空。
该项重要理论发现极大的推动了超材料领域的发展。其诞生可追溯到上世纪90年代中期。Pendry教授在圆柱坐标系中尝试使用有限元方法尝试求解麦克斯韦方程组时发现，可以借助笛卡尔和圆柱坐标系之间的相互变换，从而在笛卡尔系统中找到圆柱坐标系所对应的等效介电常数和磁导率。
Pendry教授和合作者美国杜克大学David Smith在2006年正式提出了基于超构材料的变换光学的普适性理论，即通过精确设计空间中每一个点以及在这个点上各方向的介电常数和磁导率来实现对电磁波的自由操控。随后同年，David Smith和他的团队基于变换光学理论，借助于超材料成功实现了隐身斗篷的实验验证。
变换光学理论的提出以及它对于隐身斗篷设计的指导作用引起了光学领域甚至于媒体的广泛关注。近日，Pendry教授团队在中国激光杂志社和SPIE联合创办的新刊Advanced Photonics第一期上发表了一篇综述文章（Transformation optics from macroscopic to nanoscale regimes: a review），梳理了变换光学的基础概念及其从宏观到纳米范围的进展。
Advanced Photonics对Pendry教授的此次专访正是聚焦于变换光学及其交叉学科，探讨变换光学的发展历史与前景。
图：Sir John Pendry
Advanced Photonics：您是如何获得变换光学的灵感的？
Pendry: 在1990年代中期，我致力于使用有限元代码来研究光子晶体。这些代码基于笛卡尔坐标系，可以和光子晶体几何形状很好地对应。 之后我们想研究坐标系为圆柱形的光子晶体光纤。 但作为一个比较懒的人，我试图寻求一种方法可以避免完全重写代码。我发现可以使用笛卡尔/圆柱坐标系之间的相互变换在笛卡尔系统中找到圆柱坐标系所对应的介电常数和磁导率的有效值，这样之前使用的笛卡尔坐标系的代码可以完美适配新的圆柱坐标系光纤。具体的实现过程借助代数公式，使场线在变换下保持守恒，而仅仅在空间中重新排列，如同它们被粘在变换的坐标系上一样。 这种坐标变换的意义远远超出了代数公式本身，它为深入揭示了很多物理现象背后的物理意义。
随后在2003年， David Smith和我使用变换光学技巧将完美透镜重新设计成一个完美放大镜。 虽然我们申请了专利，但因为这项工作是保密合同的一部分，我们便没有公布。
Advanced Photonics：光学领域对这个想法的回应是什么？
Pendry: 对我们1996年初次发表的论文回应显然很一般：它至今只有343个引用，其中大多数都是隐身斗篷的内容。
2005年4月在San Antonio举行的有关负折射材料的DARPA（Defense Advanced Research Projects Agency，美国国防高级研究计划局）会议之后，这 个想法才真正突显出来。 组织者Val Browning建议我应该“把这个想法做的更有趣”。因为那是一次军事会议，所以我决定展示如何使某些东西隐形。 作为几个小孩的母亲，Val对我在开玩笑时所提到的哈利波特的隐身斗篷很感兴趣。虽然隐身衣的设计只是变换光学的许多应用之一，但这个玩笑后来也有了自己的发展。
图：变换光学实现的其中一项应用就是电磁隐身斗篷 （图片来源：“Transformation optics from macroscopic to nanoscale regimes: a review” Adv. Photonics 1(1), 014001 (2019)）
Advanced Photonics: 从这个想法到第一篇发表的文章花了多长时间？ 说服编辑和/或审稿人遇到过什么阻碍吗？
Pendry: 在San Antonio的交流之后，David Smith和他的团队几乎立即开始用实验实现这个想法。 在San Antonio之后仅几个月就取得了成功，一年后又发表了两篇文章。 一篇是关于理论的，另一篇是关于实验方面的实现。 这是一个复杂的过程，因为我们的机构必须注意专利权的分类。 审稿人对第一篇论文持一定的怀疑态度，但最终被说服并接收了。
媒体对此极为关注，这使我的科研成果以一种全新的方式进入流行领域。除了其科学意义之外，隐身斗篷证明了变换光学是可以向多元化领域拓展的有价值的工具。
Advanced Photonics: 变换光学是否可以仅通过超材料实现？
Pendry: 变换光学器件通常需要在天然材料中难以实现的相当苛刻的材料参数，超材料使得实现变换光学器件更为简单。 超材料当然是第一件隐身斗篷的关键，并推动了领域中广泛传播的制作隐身斗篷的热情。 但是，使用天然各向异性材料（如方解石）制作在光学频率上的斗篷已经被实现了。伯明翰大学张霜团队和南洋理工大学张柏乐团队都制作出了这种类型的斗篷。
Advanced Photonics: 变换光学方法在纳米光子学和超材料方面取得了哪些用其它方法无法实现的进展？
Pendry: 正如发表在Advanced Photonics上的这篇综述（Transformation optics from macroscopic to nanoscale regimes: a review）所证明的那样，变换光学系统有很多应用。 我个人的兴趣最近集中在结构如何从根本上影响表面等离子体。 这些表面电子密度波的波长比光的自由空间波长短得多，并且具有可以对辐射进行亚波长控制的潜力。 变换光学是一种理想的工具，非常适合理解和设计新的亚波长结构和超表面，可以用于控制和塑造表面等离子体。 它既给出了直观的理解，同时又保持了麦克斯韦方程水平的精确度。
Advanced Photonics: 变换光学方法是否特定于电磁波或可以在其他物理领域中利用？
Pendry: 看到这个概念传播到波动物理学的许多其他领域，特别是声学中，我觉得很有意思，我相信这将成为变换光学的众多应用领域之一。 Sebastien Guenneau甚至提出了一个建议，即战略性建筑可能可以免受地震的危害！
Advanced Photonics: 变换光学器件的实际应用是什么？
Pendry: 与其他新技术一样，变换光学的第一个实际应用是解决相对平凡的问题。 到目前为止，人们已经解决了如何在没有任何回反射的情况下的波导直角转弯的问题。 这个问题通过变换光学系统可以轻松解决。 现有的应用还可以进行“模仿”，使某种物体在雷达屏幕上被视为完全不同的其他物体。 在光学领域，该技术可以揭示将光聚集成纳米级焦点的许多不同方式，从而应用于分子探测和低功率非线性。
Advanced Photonics: 变换光学的未来是什么？
Pendry: 该技术正在被应用为控制辐射的标准设计技术，并提供对于波与复杂结构相互作用的物理观察手段。
人物简介：
Sir John Pendry教授，帝国理工学院的凝聚态理论物理学家。1969年在剑桥大学获得了博士学位， 1972年至1973年在贝尔实验室工作。1981年起，在帝国理工学院的布莱克特实验室担任教授职位。不久之后，他成为物理系主任和自然科学学院院长。目前，他是帝国理工学院理论固态物理的首席教授。
Pendry教授是英国皇家科学院院士，美国国家科学院外籍院士，美国艺术与科学学院外籍院士，挪威科学院外籍院士，以及欧洲物理研究所（IOP），美国光学学会（OSA），美国物理学会，（APS），美国科学促进会（AAAS）等多个学术机构的荣誉会员。2004年，他因对科学的杰出贡献而被英国女皇授勋封爵。
Advanced Photonics为双月刊，采用同行评议、开放获取的模式出版，文章可以在中国光学期刊网和SPIE Digital Library上免费获取。
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