梦起1842：绕开百年定理，远程“操纵”磁场

原创 长光所Light中心 中国光学 收录于话题#超构材料3#变换光学2

撰稿人：Z（清华大学 博士生）

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。

图源：中国科学院长春光机所，Light学术出版中心，新媒体工作组

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。

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。

图2 复制器将内部的磁场复制到右边外部

图源：PhysRevLett.125.177204. Fig.2a.

除了产生磁场，该方法也可以在不使用磁屏蔽材料的前提下，远程取消特定区域的磁场，结果见图3。

图3 复制器取消特定区域的磁场

图源：PhysRevLett.125.177204. Fig.4b.

图3中的蓝色点图为原本分布的磁场，加入该复制器之后，能够抵消原来的磁场，抵消后的结果见图3中的紫色点图，可以看到，效果非常显著。

这样一个远程操控磁场分布的工作，除了理论上的研究意义之外，还将有实在的应用前景：

1. 量子技术和量子计算方面，其中来自外部磁场的“噪声”会影响实验读数，利用该技术可以远程取消这些“噪声”；

2. 神经影像学方面，其中一种称为“经颅磁刺激”的技术通过磁场激活大脑的不同区域。使用本文中的技术，医生可能能够更仔细地选择需要刺激的大脑区域；

3. 生物医学方面，利用该技术可以更好的操控磁场，以操控在体内移动的纳米机器人和磁性纳米粒子，潜在应用还包括药物输运和磁热疗。

同时，文章中还指出，除了静态的磁场，通过将直流电变为交流电，还将可以实现动态的磁场控制。

最后需要强调一点，尽管实验结果看起来似乎很美好，但是对于内部电流导线的位置仍然有一定要求，因此，要想完全的应用，还将需要对该理论进行进一步拓展和完善，同时对结构进行优化。

萨塞克斯大学数学与物理科学学院的马克·巴森博士说：“我们发现了一种绕开恩绍定理的方法，这是很多人无法想象的。作为物理学家，这很令人兴奋。但这并不只是一个理论上的发现，因为我们的研究可能会带来一些真正重要的应用：将来对运动神经元病患者进行更准确的诊断，例如，更好地了解大脑中的痴呆症，或者加速量子技术的发展。”

文章信息

Rosa Mach-Batlle, Mark G. Bason, Nuria Del-Valle, and Jordi Prat-Camps Phys. Rev. Lett. 125, 177204 – Published 23 October 2020

论文地址

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.177204

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参考文献

1. M.B.Rosa, M.G. Bason, D.V.Nuria, et al. Tailoring Magnetic Fields in Inaccessible Regions, Phys. Rev. Lett. 125, 177204 (2020).

2. J. Jeans, General analytical theorems, in Mathematical Theory of Electricity and Magnetism, 5th ed., Cambridge Library Collection—Physical Sciences (Cambridge University Press, Cambridge, England, 2009), p. 156184.

3. Veselago V G. The Electrodynamics of Substances with Simultaneously Negative Values of ɛ and μ[J]. Sov.phys.usp, 1968, 10(4):509.

4. Pendry J B, Holden A J, Robbins D J, et al. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1999, 47(11):2075-2084.

5. Smith D R, Padilla W J, Vier D C, et al. Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity[J]. Physical Review Letters, 2000, 84(18):4184-4187.

6. Shelby R A, Smith D R, Schultz S. Experimental Verification of a Negative Index of Refraction[J]. Science, 2001, 292(5514):77-79.

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