新型量子材料在红外摄像机中的应用

（文章来源：量子认知）

我们许多人都知道，红外摄像机是一种使用物体散发出的红外线进行感光成像的设备，就象使用可见光形成图像的普通相机。 红外摄像头对可见光摄像头的波长范围从1000 nm（1μm）到14,000 nm（14μm）敏感，而不是可见光摄像头的400-700纳米范围。这种设备被广泛运用在军事、消防、医疗、工业生产、海关检查等领域。

红外热像仪通过散发的热量检测人和其他物体。现在，研究人员发现了一种材料，通过掩盖目标物的热特性来隐藏目标物，连红外摄像机也捕捉不到，具有不可思议的能力。这项最近研究成果是由威斯康星大学麦迪逊分校、哈佛大学、普渡大学、麻省理工学院和布鲁克海文国家实验室的科学家和工程师组成的研究团队取得的。这项研究成果发表在最新的《美国国家科学院院刊》上。

科学家们认为，这项研究成果距离释放量子材料的全部潜力仅一步之遥。使该材料与众不同的是其量子特性，这是经典物理学无法解释的性质。这项研究中的量子材料是如何诱骗红外摄像机的呢？它将物体的温度与热辐射解耦分开，这有点违反人们基于基本物理定律的直觉。这种直觉认为，物体的温度与热辐射不能分开。正是通过这种解耦分开，可以使连红外热像仪也捕捉不到有关物体温度的信息。

这一发现并没有违反任何物理定律，但是研究表明，这些定律可能比传统上所认为的物理定律要更为灵活。量子现象往往令人惊讶。几十年来，有些材料的一些特性一直是个谜，这些材料如一种称为氧化钐镍（samarium nickel oxide）的材料。钐是一种化学元素，符号为Sm，原子序数为 62。钐是一种中等硬度的银白色金属，在空气中容易氧化。它属于典型的镧系元素，氧化态通常为+3。

镍形成一系列混合氧化物，通常称为镍酸盐。 镍酸根是含有镍的阴离子或含有镍酸根阴离子的盐，或含有与氧和其他元素结合的镍的双化合物。 镍可以处于不同的甚至混合的氧化态，范围从+ 1，+ 2，+ 3到+4。 阴离子可包含单个镍离子或多个镍离子以形成簇离子。 固体混合氧化物化合物通常是陶瓷，但也可以是金属。 它们具有多种电和磁性能。 稀土元素形成一系列钙钛矿型镍酸盐，其性质随稀土元素的变化而系统地变化。 通过元素的混合，施加压力或压力或改变物理形式，可以对属性进行微调。

普渡大学的材料工程科学家在过去10年里一直在研究氧化钐镍。今年早些时候，他们的实验室发现，这种材料还具有与反直觉的功能，即当从其分子结构中除去氧气时，它在低氧环境中是良好的电流绝缘体，而不是原来所认为的是不稳定的导体。

另外，钐镍氧化物是可以在高温下从绝缘体转换为导电体的几种材料之一。研究人员从而设想到，之所以具有这种特性，是因为温度和热辐射耦合的结果。研究人员指出，这种耦合的工程热辐射有望控制热传递，并使通过红外成像识别和探测物体变得更容易或更困难。

研究人员在实验室里在蓝宝石衬底上创建了氧化钐镍薄膜，测量了材料在加热和冷却时的光谱发射并捕获了红外图像。与其他材料不同，钐镍氧化物在加热时几乎不会变热，并保持在105到135摄氏度之间。

通常，当加热或冷却材料时，电阻变化缓慢。但是对于氧化钐镍物，电阻却以非常规的方式从绝缘状态更改为导电状态，从而在一定温度范围程度上保持其几乎相同的热发光特性。由于温度变化时热辐射不会改变，这意味着两者在一定温度范围内是不耦合、可分开的。

研究人员说，这项研究不仅为隐藏红外摄像机的信息铺平了道路，而且为制造新型光学器件甚至改进红外摄像机本身铺平了道路，如探索这种材料和相关的氧化镍，以用于红外摄像机组件，例如可调滤光片、保护传感器的光学限幅器以及新型灵敏的光探测器。这项研究为未来的隐身技术提供了坚实的基础。
（责任编辑：fqj）