一個多世紀以來，幾乎所有的技術進步都依賴于我們制作和操控大自然賦予的海量材料的能力。這種依賴到處可見，在電子領域尤為明顯。利用種類繁多的半導體、聚合物和金屬，我們已能夠創造出令人目不暇接的各類電路，這些電路幾乎支撐著現代生活的方方面面。

那么現在試想一下，假如我們不限于使用自然界內發現的材料，我們可以做什么？長期以來，研究人員一直相信某一天可能制造出人造材料，或者稱為“超材料”，并認為它們會帶來一些令人驚嘆的、非現實世界的技術——那些多年來一直出現在科幻故事中的技術。這些創新包括：隱形斗篷，可以掩蓋物體或其電磁特征信號的存在；“不可感覺的斗篷”，可以機械地掩蓋物體的觸覺；超級透鏡，可以分辨普通顯微鏡無法看到的細小特征；以及吸能器，可以基本上捕獲照射到太陽能電池上的全部陽光。

要實現這些進步，我們將需要更好的超材料，而它們即將面世。超材料由“元原子”組成，元原子則是由聚合物、介電材料或金屬構成的小型二維或三維結構。當這些結構呈現出規則、重復的晶體排列時，它們可用于以全新的方式操控電磁輻射。超材料的功能最終取決于這些結構的大小、形狀和質量。而制造超材料的技術最近邁入了一個新階段。

在過去幾年中，世界各地的研究小組已成功研發出一種利用激光繪制超材料的方式。由此產生的結構現在可以呈現出幾乎任何形狀，并且以密集、晶體狀排列堆積在三維空間中。更重要的是，它們可以被制造成足夠小的形狀，以展現獨特的機械和熱特性，以及改變一定范圍波長內的光流——包括長期不可獲取的可見頻譜塊。由于采用了這種微觀制造技術，我們最終可以看到超出大自然提供給我們的材料以外的路徑，通往僅受我們想象力限制的全新領域。

盡管天然材料豐富多樣，但它們實際上具有一些范圍相當狹窄的特性。這一事實在材料對光作出反應的方式上顯得尤為明顯。

普通原子（如硅和銅）都充滿了帶電粒子，通常與電場發生相當強烈的相互作用。但電磁波是由兩部分組成的：一個振蕩電場和一個振蕩磁場。而材料對磁場的反應則是另一回事。

由于一些我們不會在此深入討論的量子力學原因，許多原子確實對電磁輻射的磁分量有反應（例如，此反應使磁共振成像成為可能）。但是當入射輻射的頻率高于約100千兆赫——頻譜微波部分的高頻邊緣值時，大多數原子停止對光的磁分量進行共振，從而停止作出反應。這就意味著，實際上，傳統材料僅對電磁波的電分量作出反應，尤其是在紅外線和可見光的波長上。

這可能已為這項研究劃上了句號。但在1999年，英國倫敦帝國學院的物理學家約翰?彭德里（JohnPendry）及其同事指出，應該有可能創造出可同時操控光的電磁分量的透明結構。

為做到這一點，該研究小組設計了一個金屬環，在邊上切出了一條縫。像任何金屬環一樣，這個有裂口的環會產生稱之為“L”的電感來抵制外部磁場內的變化。但是由于該金屬環上有一個缺口，也會在缺口的兩邊聚積電荷，讓金屬環具有電容，或稱之為“C”。其結果是形成一個LC電路。對于具有恰當頻率的入射電磁波，開口環將以一個振蕩電流作出反應，并形成其自己的振蕩磁場。金屬環越小，其作出反應的波長越短。

彭德里及其合作者作了如下推論：通過將許多此類人造材料布置在一個密集、周期性的陣列（一個二維或三維晶體）中應有可能創造出某種超材料，以天然材料無法做到的方式對入射電磁輻射作出反應。在2000年，由來自加利福尼亞大學圣迭戈分校的大衛?斯密斯（DavidSmith）和謝爾頓?舒爾茨（Sheldon Schultz）帶領的團隊開展了首個真正展示超材料“威力”的實驗。

斯密斯和舒爾茨構建了若干對6.5毫米寬的銅制開口環諧振器，每對諧振器相隔8毫米左右，并在每對諧振器之間放置一條短電線。當研究人員將微波輻射照入這種結構中時，結果顯示，該材料展示出一種自然界中不存在的令人難以置信的特性：負折射率。

具有這種特性的材料或多或少將光“放入倒檔”。要想了解這種現象是怎么發生的，最佳方式是觀察兩個用于描述光傳播的參數——電磁能量傳播的速度和相速度。第一個參數描述光的總流量，第二個參數描述光波的單個波峰和波谷移動的方式。在普通材料中，電子通過振動，對入射場作出反應，從而形成自己的電磁場。由此形成的場——入射場和材料反應的組合——將向入射輻射同樣的方向移動，但存在一定滯后，且速度較慢。對于入射場，能量和相位矢量均為正值。但在一個折射指數為負的材料內，能量和相位以相反的方向移動。盡管光的能量以及光本身仍以進入材料時的方向移動，但單個波峰和波谷實際上向后移動。

要在現實世界中描述這種現象，可想象一根吸管放在一個半滿的玻璃杯中。若吸管立在水中，則看上去與在空氣中的情況差不多，只是在兩種物質之間的界面上有輕微的扭結。但如果玻璃杯中液體的折射指數為負，則吸管將看上去是彎的，好像向相反的方向傾斜。

具有負折射率的材料有可能用于制造超級透鏡，能夠以遠低于入射光波長的分辨率使物體成像。但是這種同時控制光的兩個分量的能力還可以提供其他可能性。在輻射的電磁分量上同時作用的元原子可用于制造“隱形斗篷”，作用于肉眼，使光線轉向，從而使物體“隱形”。

我們還可能制造出一種具有電磁反應的超材料，可進行破壞性干涉，因此不反射任何輻射。如果我們能夠在吸收光的系統內做到這一點，那么我們能夠創造一種完全黑色的材料，既不反射光，也不傳輸光，提高了制造更敏感檢測儀和更高效太陽能電池的可能性。

另一個可行的應用是通過左/右旋圓偏振過濾光線?；緳C制類似于糖水、DNA和其他手性材料——具有物體獨立鏡像的分子——旋轉光波偏振的方式。在這些材料中，相互作用相當弱，要求光在出現強烈偏振變化前在物質內穿行數厘米。超材料的結構為微小螺旋線組成的陣列，能夠在更短的距離上完成其過濾任務。這可能讓我們能夠構建緊湊型設備，可以區分藥物與其鏡像，這兩者的構成可能相同，但具有非常不同的生物效應。

━━━━━━

這僅是超材料潛在用途的一小部分。為了將藍圖變成現實，我們必須找到一個很好的方法，制作底層結構——元原子。

在十多年前，當超材料領域剛剛起步，元原子趨向于宏觀層面：標準電路板上1厘米大小的金屬開口環電線。但是這些結構如此之大，以至于它們可能僅作用于波長較長的輻射——在頻譜的微波部分。要制造能夠作用于可見光（波長范圍大約為400至750納米）的超材料，“原子”的大小必須在100至200納米之間，甚至更小。

如何制造如此小的結構呢？你可能會認為，自然應首先使用半導體行業已經開發的技術。畢竟已經有一些很強大的圖形化工具，如光刻法和電子束光刻技術，通常用于制造亞微米和納米結構。

事實上，諸多研究小組——包括德國斯圖加特大學的哈拉爾德?吉森（HaraldGiessen）、美國印第安納州普渡大學的弗拉基米爾?沙拉耶夫（Vladimir Shalaev）、美國愛荷華州立大學的科斯塔斯?M?蘇庫里斯（CostasM. Soukoulis）、美國加州大學伯克利分校的張翔（Xiang Zhang）、英國南安普頓大學的尼古拉?澤魯戴夫（NikolayZheludev）以及我們德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）的研究組——均已成功使用這些技術，創造出一些簡單的超材料結構，包括開環諧振器，小到足以作用于可見光或紅外光。

但是，當你嘗試制造甚至看似簡單的3D物體時，這些光刻方法開始失靈，此時你需要可作用于任何方向的光線的超材料。光刻法旨在形成具有2D特性的圖案，因此如要構建微小螺旋線圈組成的陣列，你必須通過數百個步驟，一層一層地進行構建。這是一個非常耗時的過程，需要仔細調整。即使是精于此過程的研究小組，可能也需要一整天的時間構建一個單層。

幸運的是，我們有更好的方法來構建3D結構。關鍵在于使用激光以及過去幾年內研發的一些技巧，在三維空間內進行寫入。你可以考慮將這類光學光刻法——直接的激光寫入——作為3D打印的顯微版本。就像快速成型，或立體光刻技術——查爾斯?W?赫爾（CharlesW. Hull）在1986年獲得相關專利——一樣，光被用于勾勒形狀。然而在這種情況下，形狀并非逐層制作的。相反，它們是使用單容積材料一次成型。溶劑洗去不暴露在光線下的部分，就像米開朗基羅形容藝術家創造雕像的情形：一點一點敲掉多余的石頭。

━━━━━━

正如其他光刻技術一樣，激光直寫采用一種名為抗蝕劑的化合物——在本例中，是一種名為光致抗蝕劑的光敏混合物。要制造超材料，我們要從物體較厚的一層開始，上面裹著載玻片或一些其他基層，并安裝在顯微鏡上。當我們讓激光穿過光學顯微鏡，射到光致抗蝕劑上時，光打破分子結構，導致暴露的材料聚合并固化。完成后，我們可以使用溶劑洗去未暴露的材料，僅剩下暴露的材料。

通常情況下，這種方法僅在二維空間內產生良好的效果。這是因為即使我們將激光聚焦于抗蝕劑內部，不僅靠近聚焦區的光子會被吸收，整個光束錐內的光子（包括焦點的上下方）也都會被吸收。為了使固化過程在三維空間內正常工作，我們略微改變了下策略，將“光引發劑”——光致抗蝕劑內吸收光子的部分——與波長較長的激光配對。如果兩者的結合恰到好處，我們可以創建一個系統，其中光引發劑必須吸收兩個光子（而不是一個）才能被激發。

如果需要兩個光子，則吸收響應就不是線性的；相反，它與光強度的平方成比例。如果我們將其翻倍，可以得到四倍響應。這有助于限制激光的效果：如果激光束緊密聚焦，曝光將被大幅限制在圍繞焦點中心的小部分。然后，如要繪制任意3D形狀，我們只需通過移動樣本或激光束將焦點在四周移動。

但是，這種技術自身未必能夠讓我們獲得足夠小的元原子，與光發生相互作用。其中所受的限制是阿貝衍射屏障——顯微鏡光學元件的一個特性，限制透鏡的空間分辨率，從而限制你將兩個相鄰特征或光線放在一起的緊密程度。對于800納米激光（可使用普通光致抗蝕劑）以及高端顯微鏡鏡頭，由于阿貝衍射屏障的存在，你會被限制在300納米左右的橫向距離。

幾十年以來，阿貝衍射屏障似乎成為了基本限制。但是大約幾年前，我們證明了有辦法突破它。物理學家斯蒂芬?黑爾（StefanHell）首先提出了這一想法，他現在就職于位于德國哥廷根的馬克斯普朗克生物物理化學研究所。在20世紀90年代初期，他提出了一種方法，通過使用在不同頻率下工作的第二條激光，打破衍射屏障。

通過一個稱為“受激發射損耗”的過程，第二條激光可導致一個激發態分子“吐出”一個光子，并松弛回到一個較低的能量狀態。這對于光刻法非常有用，因為它實際上給了我們一個與所使用的“筆”配套的“橡皮擦”。寫入光束會在中心產生熱點，而擦除光束會有一個不同的橫截面：強度為零的特殊形狀焦點，在寫入激光處于最大值的位置（參見圖示“透過抗蝕劑寫入”）。當使用兩條光束時，寫入光束正中心以外的所有物質都會被退激，并且那里的光致抗蝕劑將仍未曝光。

黑爾小組的興趣在于，使用該技術導致染色的細胞和其他生物結構在盡可能微小的點內發光，從而可以在顯微鏡下以非常高的分辨率成像。（他的團隊已在這方面取得了巨大進展：2009年，他們發現可以采用可見光，在精度小到6納米的顯微鏡下解析特征，這個范圍只能有少數原子通過，大大低于阿貝衍射屏障。）

但是采用雙激光束方法來固化光致抗蝕劑并非易事。我們在KIT的小組于2008年開始研究這種可能性，當時沒有專門為支持該方法而開發的光致抗蝕劑。我們早期遇到的一個問題是，光引發劑的設計非常高效；被光子擊中后，它們會幾乎瞬時作出反應，太快以至于第二條激光束無法退激分子并停止聚合反應。我們用了一年時間開展研究，期間進行了一些嘗試，出現了一些錯誤，但最終找到了一種光引發劑（在當時僅被謹慎地用于光刻法的一種染料分子）可以達到效果。

有了這種光引發劑，我們發現可以用一個大約175納米的橫向分辨率（兩個相鄰特征之間的距離）打印結構，比在阿貝限制下可實現的分辨率提高了約40%。

這是一個相當大的進步。但是在原則上，使用800納米的光應該可能達到幾十納米的空間分辨率（超出你開始達到分子尺度時的分辨率）。將這種光刻法的分辨率降至這種尺度將需要更多工作。問題不再是光學元件，而是我們使用的光引發劑。由于還在探討中的一些原因——可能是光引發劑分子自身的漫射，制造更小結構的嘗試通常導致界限不清的特征。例如，如果你試圖制造兩個間距小于175納米的特征，你可能最終會固化不應屬于最終形狀的區域。

盡管如此，現在的分辨率足以讓我們創造出可以在頻譜可見部分內工作的人造材料。其中許多材料在幾年前甚至根本無法造出。

回到我們最喜歡討論的例子——隱形斗篷：當我們在2009年初開始研究這一問題時，其他小組已成功地制作可以在二維空間內隱藏物體的結構。但如要在光波長上和三維空間內完成這一壯舉則需要更多的規劃。

在設計指導原則方面，我們依賴于超材料理論家所完成的工作，例如帝國理工學院的彭德里和蘇格蘭圣?安德魯斯大學的烏爾夫?倫哈德（Ulf Leonhardt），他們展示了如何根據你希望擁有的屬性對超材料設計進行逆向工程。其訣竅在于使用坐標變換，有點類似愛因斯坦的廣義相對論內那些用于計算質量如何扭曲時空結構的坐標變換。這些可以讓你根據自己希望影響光流的方式來得出超材料的結構。

由于采用激光直寫，能夠在可見光波長上工作的隱形斗篷已經成為現實。我們尚未使用它們將像人體一般大的物體隱形。但我們曾使用它們改變一些較小物體的外觀。我們所構建的3D“地毯斗篷”（參見圖示“在5微米內消失”）基于一個受限制的幾何形狀，但的確適用于可見光，并且跨越大范圍頻率，它可以讓一塊彎曲的地面（地毯）看上去好像一個扁平的金屬鏡面。

超材料系列現已包括許多以前似乎是不可能的創造物。近期的一些發明包括基于二氧化鈦的光子晶體，能夠完全反射來自任何方向的可見光，可用于引導LED發射出的光線。五模式機械超材料（像液體一樣運動的固體）也已面世。這些可用于制造“不可感覺斗篷”，從而使得物體的存在不可通過觸摸檢測到。我們還成功制造了3D光子準晶體，這是丹?謝赫特曼（Dan Shechtman）獲得2011年諾貝爾化學獎的物理結構的光學對應體。盡管我們還在探索這一特殊材料的應用，但激光直寫是制作復雜的底層機構的唯一途徑。

━━━━━━

在這所有激動人心的制造工作之中，有一項創新極大地改變了制造工藝。早期的激光寫入受到顯微鏡光學元件的限制：必須將載玻片放在顯微鏡的物鏡和光致抗蝕劑之間。這種安排意味著超材料的厚度不會超過約100微米。

但是在2012年，Nanoscribe（根據我們實驗室所完成的研究發展起來的一家公司）提出了一個新方法，解決了這一問題。在浸沒式顯微鏡中，顯微鏡的物鏡上涂有油滴，位于透鏡和載玻片之間。Nanoscribe創造了一種特殊光致抗蝕劑，它的發射率恰好可替換油滴，從而使得抗蝕劑可以直接滴到透鏡上。

如果沒有上述的雙光子吸收，這個方案當然不會是一個好主意。來自透鏡的光子會固化光束線上的光致抗蝕劑，導致后者粘到透鏡上，并在第一次使用后毀壞透鏡。雙光子吸收可以讓我們在三維空間內定位固化過程。

這種“浸漬式”做法也使我們能夠在玻璃以外的其他表面上構建結構。并且由于抗蝕劑和透鏡不再被一個厚玻璃基板分隔開，我們可以將焦點延伸大約10倍，這樣就可以進入樣本，創造一個高度為1毫米的3D超材料陣列。這接近我們開始考慮構建宏觀超材料的高度——物體大到可以握在手中，而不僅是薄薄的、易損的涂層。

當然，還是有改進的空間。激光直寫的分辨率僅勉強足夠制造可以在可見光頻率上工作的操控光的超材料。一些更加復雜的結構，例如金屬螺旋森林，仍然無法制造，將很可能需要全新的光致抗蝕劑。但至少在原則上，沒有明顯的因素會導致失敗。

我們還必須解決寫入速度的問題。而在這一方面，我們實際上已取得了良好進展。在研究實驗室內，我們固定了激光，采用高精度3D壓電致動器移動樣本來繪制結構。通常，這些工作的速度大約為每秒100微米。對于許多結構來說，需要大約半小時的工作來制造一個足跡為100微米×100微米的超材料。但是最近，Nanoscribe及其他公司都采用了基于2D檢流計的激光掃描系統，寫入速度更快，向上達到每秒1米。使用這些市面有售的光刻工具，我們能夠將制造速度提高上百倍。

超材料僅僅是開始。隨著近期速度提升以及空間分辨率的進一步改進，我們認為激光直寫在將來有可能抗衡平面電子束光刻技術，后者目前用于制造模版類的掩模，確定邏輯和存儲芯片上的電路布局。

當然，還有更多。通過將諸如納米金剛石等有源元件改造成發射單個光子，我們甚至可以設想創建三維光學系統，用于基于芯片的量子信息處理。

我們才剛剛開始探索這些新的制造工具的應用范圍。但在未來，物質的結構可能會變得無限復雜、精密。