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梦起1842:绕开百年定理!远程“操纵”磁场

编辑/2020-12-14/ 分类:百科知识/阅读:
自从200年前,奥斯特发现通电导线周围能够产生磁场之后,人们就一直对磁场展开了孜孜不倦的研究和探索。磁,是一种物理现象,从传统的发动机和发电机到复杂的生物医学技术和量子技术,磁场一直扮演着重要的角色。小到我们人类自身,大到宇宙环境,也都有磁场 ...

自从200年前,奥斯特发现通电导线周围能够产生磁场之后,人们就一直对磁场展开了孜孜不倦的研究和探索。磁,是一种物理现象,从传统的发动机和发电机到复杂的生物医学技术和量子技术,磁场一直扮演着重要的角色。小到我们人类自身,大到宇宙环境,也都有磁场的踪迹。

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如果地球没有磁场,宇宙高能射线将会大量照射到地球表面,太阳风会直接作用于地球大气层,破坏地球的气体环境。可以说,没有磁场,地球的生命将难以生存。正因为磁场如此的重要,人们一直想办法去提高对磁场的控制技术。

但在1842年,一个关于磁场分布的“紧箍咒”出现了:恩绍定理(Earnshaw's theorem)。简单来讲,英国数学家塞缪尔·恩绍的这个定理表明:磁场的最大值不能出现在自由空间中,磁场只能围绕着磁场来源,随着离开源头,磁场强度将会快速下降。

正因为这个限制,178年以来,人们使用磁场的时候只能靠近磁场源头,而需要屏蔽磁场时,只能借助于一些磁屏蔽材料,比如金属。如果我们能够按照意愿去控制磁场的分布,那将会是一件既美妙又实用的事情。

近期,来自西班牙、意大利和英国的几位科学家就让这个美梦成真了,他们开发了一种技术,可以使得我们能够随意的在自由空间产生和取消磁场。相关成果以“Tailoring Magnetic Fields in Inaccessible Regions”为题发表在物理顶级期刊Physical Review Letters上,Rosa Mach-Batlle 既是第一作者也是通讯作者。

这一切得以实现要归功于1968年,一名叫Veselago的俄罗斯物理学家,他曾理论设想,一种材料如果介电常数和磁导率这两个电磁参数都为负值,那么将会出现很多匪夷所思的物理现象,比如,折射光线和入射光线将会出现在法线的同侧。由于自然界的材料磁导率都为正数,因此他的设想并未引起人们的重视,但是,正是这样一个不可能的“负磁导率”,规避了“磁场不能出现在自由空间”。

负的磁导率自从2000年左右被杜克大学的D.R.Smith教授在实验上实现之后,迅速引起众多物理学、电子信息学、材料学等相关领域的科学家注意,并迅速发展出了一门新的交叉领域:超构材料,即利用人工结构实现自然材料不具备的性质的材料。此后,负磁导率一直作为一种新奇物理现象被研究,并用在电磁波的调控方面。直到今天,似乎已经不再引起人们的好奇心了,直到Rosa Mach-Batlle他们这一“磁场裁剪”的工作出现,负磁导率再一次出现在顶刊上。

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图1 负磁导率外壳实现磁场的复制

图源:PhysRevLett.125.177204. Fig.1.

他们具体的做法如图1,使用21根导线排列成一个圆壳构建了一个“磁场复制器”,其可以将内部的磁场复制到壳层外部。研究人员通过在21根导线上面施加不同的电流分布,实现了一个静态的磁导率为-1的负磁导率,同时,他们基于变换光学和数值求解证明,这样一个磁导率为-1的壳层,其具备将内部的磁场复制到外部的能力。

复制效果见图2 ,这样一个壳层(磁复制器)能够将内部的电流产生的磁场转移到右侧外部区域(图2右侧灰色方框内部),可以看到,在自由空间处出现了和导线周围一样的磁场分布。这样一个实验结果表明,我们可以通过这样一些人工的手段将磁场的分布人为控制。

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