新型量子材料在紅外攝像機中的應(yīng)用

（文章來源：量子認知）

我們許多人都知道，紅外攝像機是一種使用物體散發(fā)出的紅外線進行感光成像的設(shè)備，就象使用可見光形成圖像的普通相機。 紅外攝像頭對可見光攝像頭的波長范圍從1000 nm（1μm）到14,000 nm（14μm）敏感，而不是可見光攝像頭的400-700納米范圍。這種設(shè)備被廣泛運用在軍事、消防、醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)、海關(guān)檢查等領(lǐng)域。

紅外熱像儀通過散發(fā)的熱量檢測人和其他物體?，F(xiàn)在，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種材料，通過掩蓋目標物的熱特性來隱藏目標物，連紅外攝像機也捕捉不到，具有不可思議的能力。這項最近研究成果是由威斯康星大學麥迪遜分校、哈佛大學、普渡大學、麻省理工學院和布魯克海文國家實驗室的科學家和工程師組成的研究團隊取得的。這項研究成果發(fā)表在最新的《美國國家科學院院刊》上。

科學家們認為，這項研究成果距離釋放量子材料的全部潛力僅一步之遙。使該材料與眾不同的是其量子特性，這是經(jīng)典物理學無法解釋的性質(zhì)。這項研究中的量子材料是如何誘騙紅外攝像機的呢？它將物體的溫度與熱輻射解耦分開，這有點違反人們基于基本物理定律的直覺。這種直覺認為，物體的溫度與熱輻射不能分開。正是通過這種解耦分開，可以使連紅外熱像儀也捕捉不到有關(guān)物體溫度的信息。

這一發(fā)現(xiàn)并沒有違反任何物理定律，但是研究表明，這些定律可能比傳統(tǒng)上所認為的物理定律要更為靈活。量子現(xiàn)象往往令人驚訝。幾十年來，有些材料的一些特性一直是個謎，這些材料如一種稱為氧化釤鎳（samarium nickel oxide）的材料。釤是一種化學元素，符號為Sm，原子序數(shù)為 62。釤是一種中等硬度的銀白色金屬，在空氣中容易氧化。它屬于典型的鑭系元素，氧化態(tài)通常為+3。

鎳形成一系列混合氧化物，通常稱為鎳酸鹽。 鎳酸根是含有鎳的陰離子或含有鎳酸根陰離子的鹽，或含有與氧和其他元素結(jié)合的鎳的雙化合物。 鎳可以處于不同的甚至混合的氧化態(tài)，范圍從+ 1，+ 2，+ 3到+4。 陰離子可包含單個鎳離子或多個鎳離子以形成簇離子。 固體混合氧化物化合物通常是陶瓷，但也可以是金屬。 它們具有多種電和磁性能。 稀土元素形成一系列鈣鈦礦型鎳酸鹽，其性質(zhì)隨稀土元素的變化而系統(tǒng)地變化。 通過元素的混合，施加壓力或壓力或改變物理形式，可以對屬性進行微調(diào)。

普渡大學的材料工程科學家在過去10年里一直在研究氧化釤鎳。今年早些時候，他們的實驗室發(fā)現(xiàn)，這種材料還具有與反直覺的功能，即當從其分子結(jié)構(gòu)中除去氧氣時，它在低氧環(huán)境中是良好的電流絕緣體，而不是原來所認為的是不穩(wěn)定的導(dǎo)體。

另外，釤鎳氧化物是可以在高溫下從絕緣體轉(zhuǎn)換為導(dǎo)電體的幾種材料之一。研究人員從而設(shè)想到，之所以具有這種特性，是因為溫度和熱輻射耦合的結(jié)果。研究人員指出，這種耦合的工程熱輻射有望控制熱傳遞，并使通過紅外成像識別和探測物體變得更容易或更困難。

研究人員在實驗室里在藍寶石襯底上創(chuàng)建了氧化釤鎳薄膜，測量了材料在加熱和冷卻時的光譜發(fā)射并捕獲了紅外圖像。與其他材料不同，釤鎳氧化物在加熱時幾乎不會變熱，并保持在105到135攝氏度之間。

通常，當加熱或冷卻材料時，電阻變化緩慢。但是對于氧化釤鎳物，電阻卻以非常規(guī)的方式從絕緣狀態(tài)更改為導(dǎo)電狀態(tài)，從而在一定溫度范圍程度上保持其幾乎相同的熱發(fā)光特性。由于溫度變化時熱輻射不會改變，這意味著兩者在一定溫度范圍內(nèi)是不耦合、可分開的。

研究人員說，這項研究不僅為隱藏紅外攝像機的信息鋪平了道路，而且為制造新型光學器件甚至改進紅外攝像機本身鋪平了道路，如探索這種材料和相關(guān)的氧化鎳，以用于紅外攝像機組件，例如可調(diào)濾光片、保護傳感器的光學限幅器以及新型靈敏的光探測器。這項研究為未來的隱身技術(shù)提供了堅實的基礎(chǔ)。
（責任編輯：fqj）