梦起1842：绕开百年定理！远程“操纵”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。

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。