透明マントはもはや空想ではありません。音、光、電気、熱はそれぞれ独自の方法であなたを見えなくします。

古代から、人間は目に見えない能力を想像してきました。そして「透明人間」は今でも文学作品やビデオゲームに、魔法やSFの形で頻繁に登場します。世界的に有名な『ハリー・ポッター』の主人公が着用する透明マントは、透明マントに対する私たちの幻想を満たしてくれます。実際、光を身体に「通過」させる光学的な透明マントはすでに開発されている。それだけでなく、科学者たちはさまざまな物理的環境における物質の不可視性について広範かつ徹底的な調査を実施し、想像を絶するさまざまな種類の透明マントを作り上げてきました。

著者：徐磊（香港中文大学物理学科教授）

透明人間になることは、古来から人類の夢でした。『西遊記』の孫悟空の透明人間術から『ハリー・ポッター』のハリーの透明マントに至るまで、この夢は世界中の人々の注目を集めてきました。狭義では、不可視性とは単に肉眼で見えないことを意味します。より広い意味では、不可視性は肉眼に限定されず、特定の検出方法（レーダーやソナーなど）によって検出できないことを指します。これをこの検出方法では不可視性と呼びます。ステルスを実現することは軍事において重要な応用があります。例えば、ステルス航空機やステルス艦は静かに目標に接近することができます。そのため、ステルス技術は各国の軍事分野で研究の焦点となっています。科学技術の発展に伴い、さまざまなタイプの透明マントがさまざまな物理分野で実現され、さまざまな分野の研究のホットスポットであり続けています。透明マントの原理は何ですか？透明マントにはどのような種類がありますか?それらはどのように実装されますか?もしある日透明マントを着ることができたら、家族や友人にどんなサプライズ（ショック）を与えますか？これらの質問に興味があるなら、この記事はあなたのために注意深く準備されています。

透明マントの仕組み

目に見えない状態を実現するには、まず、なぜ見えるのかを理解しましょう。一般的な状況としては、物体によって反射または散乱された光が私たちの目に入り、その物体が見えるようになります (次の図を参照)。

中学校物理教科書（人民教育出版社）

この原理を知ると、大胆なアイデアを思い付かずにはいられません。衣服が光を反射したり散乱したりすることなく光を完全に吸収できるとしたら、その衣服は目に見えなくなるのでしょうか?ご存知のとおり、黒は光をよく吸収します。全身を覆う超黒いマントを着れば（下の写真のように）、路上で何でもできるのでしょうか？物事はそんなに単純ではありません。

バットマンビギンズのスチール写真

明らかに、上の写真ではバットマンの黒い服がすべての光を吸収していますが、明るい背景とのコントラストによりバットマンが完全に露出しているため、光を吸収するだけでは透明化は実現できません。

物体は光の反射、散乱、吸収によってその位置が明らかになるのに、どうすれば目に見えない状態を実現できるのでしょうか?ハリー・ポッターの透明マントを見れば、そのことがよくわかります (下図参照)。

ハリー・ポッターと賢者の石の静止画

写真では、ハリー・ポッターの透明マントは光を反射も散乱も吸収もせず、光がまったく影響を受けずに本来の進路に沿って伝播することを可能にしています。ハリーの周囲の光が何の影響を受けずに彼の体を自由に通過できるとき、彼の体はどこからともなく「消えて」しまいます。彼の後ろの壁ははっきりと見えますが、彼の体は見えません。したがって、透明マントを設計する際の基本原則は、光の伝播が物体の影響を受けないようにすることです。

原理は単純ですが、実装は困難です。ほとんどの物体は不透明であるため、光は物体を透過できず、伝播し続けることができないからです。光が物体の影響を受けないようにするにはどうすればよいでしょうか?現在の基本的な考え方は、物体を包む特殊な構造の材料層を設計し、この特殊な材料によって光が物体を迂回して元の伝播経路に沿って伝播し続けるようにすることです (下の図を参照)。この特殊な素材の構造が透明マントです。

GIFソース: gfycat.com

光を物体の周りを回らせるにはどうすればいいでしょうか?一般的なアプローチは、まず必要な屈折率を理論的に計算し、次にこの屈折率を持つ材料を見つけてそれを実験的に実現することです。重要な理論的計算方法は、2006 年にインペリアルカレッジロンドンのジョンペントリー教授とその共同研究者によって提案された変換光学理論です。その鍵となるのは、座標変換を使用して体積がゼロの点を体積がゼロでない領域に変換し、この特別な領域にオブジェクトを隠すことです。体積がゼロの点は光の伝播に影響を与えないため、そこから変換された特別な領域にも同様の特性が与えられ、光が物体を迂回する効果が得られます。特定の屈折率パラメータは、次の図に示すように、座標変換から取得できます。

ジョン・ペントリー教授

空間変換: 点を領域に変換する

したがって、透明マントの本質は、光が通過する領域を作成し、その領域内の物体を隠して、透明化を実現することです。この方法は、複数のレンズを使用して光が完全に通過する領域を作成するなど、すでに実験で実現されています。この領域に物体を置くと、外界からは全く検出されなくなります。どう思いますか？この特別な空間は、かくれんぼの道具とも言えるのではないでしょうか？あなたもそれを所有し、大胆な計画を実行するために使用したいですか?

画像出典: Choi, JS, & Howell, JC Optics Express (2014)

さまざまなタイプの透明マントの実装

レンズによって作り出されるこの目に見えない空間は実現可能ではあるが、単に覆うだけで物体を見えなくすることができる透明マントに比べると、はるかに不便で実用的ではない。ハリー・ポッターのような透明マントを実現するには、光の偏向を制御し、物体の周囲に自由に光を向けることができる必要があります。この種の偏向は一般に天然素材では実現できず、負の屈折率を持つ素材でのみ実現できます。負の屈折率を実現するには、メタマテリアルという特殊な材料が必要です。

負の屈折率メタマテリアル画像出典: Wikipedia

メタマテリアルは通常、天然素材ではなく、機能要素の設計と要素の特別な空間配置を通じて構築された人工素材です。多くの斬新で並外れた物理的特性を示すことができ、光学的負屈折率材料、機械的負ポアソン比材料、音響的吸音材料など、光学、機械、音響など多くの分野で広く使用されています。

左: 負の屈折率を持つメタマテリアル。右: 正の屈折率を持つ一般的な材料。画像提供: Dolling 他、Optics Express、2006 年。

（１）電磁波透明マント

科学者たちは、メタマテリアルを使用して、2006 年に初めてマイクロ波周波数での電磁波不可視クロークを実現しました (下の図を参照)。マイクロ波は可視光線のような電磁波ですが、その波長はより長いスケール（ミリメートルからメートル）にあります。私たちがよく使う電子レンジは、この帯域の電磁波を使って食品を加熱します。この透明マントは可視光の波長では全く「見えない」ようには見えませんが、特定のマイクロ波波長（3.5cm）では見えず、内部の物体も隠されており、波長3.5cmのマイクロ波では検出できません。

(a) マイクロ波透明マントの構造設計。 (b) 透明マントの数値シミュレーション。透明マントを通過した後もマイクロ波がどのように伝播し続けるかを示しています。 (c) 実験結果はシミュレーション結果と一致している。画像出典: D. Schurig, et al., Science, 314, 977 (2006)

マイクロ波による透明マントに続いて、科学者たちは可視光線による透明マントも開発しており、さまざまなタイプが開発されています。一般的な設計はカーペットタイプの透明マントです。カーペットタイプの透明装置の下に物体を隠すことができ、近くにいる観察者にとっては平らな地面と同じ効果が得られるため、物体が見えなくなります。設計原理は基本的に、物体に当たるはずの光を特殊な鏡や隠れた装置を通して反射または屈折させ、物体を迂回して元の経路に沿って伝播させることです。

画像出典: ウィキメディア

画像出典: IOA

（２）光学的透明マント

この設計を使用して、科学者は 2009 年にカーペット型の光学的不可視マントの開発に成功しました (下の図を参照)。透明マントを装着していない状態では、物体はあらゆる方向に光を散乱させますが（下左図）、透明マントを装着すると、光の伝播方向は滑らかな床とまったく同じになります（下中央図）。離れた場所から見ると、物体はなく床だけがあるように錯覚し（下右図）、透明化に成功します。

画像出典: バレンタイン、ジェイソン、他ネイチャーマテリアルズ8（7）、568-571（2009）。

透明マントを設計する際には、非常に重要な実用的な原則もあります。それは、マントが薄ければ薄いほど良いということです。薄い衣服を体にぴったりと着るだけで透明になれるなら、当然、重装鎧よりも便利で実用的だろう。この原理に基づいて、科学者たちは超薄型の光学的不可視クロークを開発しました。物体の表面を厚さ 80 ナノメートルのナノアンテナの層で覆うことにより、このナノアンテナの層は反射光の方向を調整するだけでなく、反射光の位相も調整できるため、光を滑らかな平面のように反射し、物体を滑らかな地面として偽装することができます (下の図を参照)。この極薄ナノアンテナの層は、透明マントに非常に似ているようですが、特定の波長の光（730nm）でのみ機能します。可視光帯域全体に作用する広域スペクトルの透明マントを実現するためには、現在の技術はまだ成熟しておらず、科学者はさらなる努力をする必要がある。

画像出典: Ni、Xingjie、他、Science 349.6254 (2015): 1310-1314。

明らかに、高度な科学技術により、映画やテレビの物語に出てくる光学的な透明マントが徐々に現実のものになりつつあります。光学的な透明マントを着れば、いつでも人生を好転させ、友達を怖がらせることができるというのは本当ですか?賢明な読者はこう言うかもしれません。「目を閉じていても、足音から誰かが近づいてくるのを感じることができます。」確かにその通りです。音波や超音波も物体の検出に使用できます。例えば、暗闇で飛ぶコウモリ、B 超音波検査、魚や潜水艦のソナー検出など、すべて音波または超音波を使用して物体を検出します。それに伴い、音波や超音波を狙った透明マントの研究も本格化している。

（３）音響透明マント

音響不可視クロークの基本原理は光学不可視クロークと同じです。音響不可視クロークは、物体が音波の伝播に影響を与えないようにすることで実現できます。下の図に示すように、科学者たちは 16 個の同心円で構成されたメタマテリアル音響クロークを設計し、実装しました。これらの同心円は、音波を誘導して中央の物体を迂回し、音響による不可視性を実現します。音場内に物体のみを配置すると、音場への影響が大きくなります（写真上段）。しかし、透明マントを追加した後は、音場の伝播は基本的に影響を受けません (写真の下段)。音響ステルスクロークは、潜水艦のソナー探知や遮音施設の設計など、多くの分野で非常に重要な応用の見通しを持っています。

画像出典: Zhang, S., Xia, C., & Fang, N. (2011).フィジカルレビューレターズ、106(2)、024301

（4）その他のタイプの透明マント

光学的透明マントや音響的透明マントの他に、他の透明マントはありますか?答えは「はい」です。熱透明マントも透明マントの一般的なタイプです。ご存知のとおり、人体を含む多くの物体の温度は周囲の環境とは異なります。この温度差に基づいて、赤外線検出器などの温度測定装置を使用して物体を検出することができます。したがって、科学者は対応する熱クロークを設計できます。同様の原理により、熱流伝播方程式に合わせて熱メタマテリアルを設計し、対応する熱クロークを製造することができます。この熱不可視マントを着用すると、体温が背景温度と同じになり、下の赤外線写真に示すように、熱不可視性が実現します。

画像クレジット: アダム・ハーヴェイ

上記の透明マントに触発されて、最近の研究のホットスポットは、流れ場における透明化の実現に重点を置き始めています。フローフィールド不可視クロークは、物体によるフローフィールドへの妨害を最小限に抑え、それによって外界がフローフィールドの変化から物体を検出できないようにすることを目的としています。この流れ場不可視クロークは、以下の模式図に示すように、2019年に多孔質媒体の流れ場で初めて実現されました。物体がない場合、流れ場は直線であり (a)、物体が配置されると流れ場は乱れ (b)、流れ場不可視クロークの層で覆われると流れ場は直線に戻ります (c)。この流れ場ステルスクロークは、水中車両のステルス性や水中抵抗低減の分野で大きな意義を持ちます。

画像出典: J Park、JR Youn、YS Song、Physical review letters、2019年

同様に、フローフィールドクロークは薄いほど良いです。そこで、私たちのチーム（香港中文大学の徐磊教授の研究グループ）は、世界で最も薄い貝殻型の透明マントを開発しました。当社の設計は、二重層ステルス設計の内層と隠蔽物を巧みに組み合わせ、二重層ステルス設計をさらに単層ステルスに縮小することで、最も薄いフローフィールドステルスクロークを実現しました。その厚さは、中央の隠蔽物のわずか 0.3% です。下図に示すように、理論計算では、物体がない場合の流れ場は直線であり (A)、物体を配置すると流れ場が歪み (B)、当社の超薄型流れ場透明クロークで覆うと流れ場が再び直線になります (C)。数値シミュレーションでも同様の結果が示されています (D、E、F)。さらに、実験では、物体がないときは流線が直線であり (G)、物体を置くと曲線になり (H)、物体が当社の極薄の目に見えないマントで覆われると再び直線になること (I) が検証されました。この超薄型の不可視クロークは、物体の近距離不可視性を実現する上で非常に重要です。

画像出典: Chen, M., Shen, X., & Xu, L. (2022).イノベーション、100263。

まとめ

まとめると、自然界には光場、音場、温度場、流れ場など、さまざまな物理場が存在します。効果的な検出防止手段として、さまざまな物理的フィールドに対応したさまざまな目に見えないクロークを開発できます。これらのクロークは個別に使用することも、組み合わせてマルチフィジックスフィールド用のスーパークロークを形成することもできます。検出方法が改良され続けるにつれて、検出防止ステルスの研究も増加しています。これからどんな新しいブラックテクノロジーが生まれるのでしょうか？待って見てみましょう！

謝辞: 本稿の資料と写真を提供してくださった Mengyao Chen 博士と Xiangying Shen 博士に感謝いたします。

参考文献

1. Choi, JS、Howell、「JC Optics Express」、Vol. 22、第24号、pp.29465-29478（2014年）。

2. Gunnar Dolling、Martin Wegener、Stefan Linden、Christoph Hormann、「Optics Express」、Vol. 14、第5号、pp.1842-1849（2006年）。

3. D. Schurig ら、Science、314、977-980 (2006)。

4. バレンタイン、ジェイソン、他ネイチャーマテリアルズ8(7),568-571(2009).

5. Ni、Xingjie、他、Science 349、6254、1310-1314 (2015)。

6. Zhang, S., Xia, C., & Fang, N, Physical review letters, 106, 024301 (2011).

7. J Park、JR Youn、YS Song、Physical review letters、123、074502 (2019)。

8. チェン、M.、シェン、X.、およびシュー、L.イノベーション、3（4）、100263（2022）。

制作：中国科学普及協会

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