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'stheorem）。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"TailoringMagneticFieldsinInaccessibleRegions"为题发表在物理顶级期刊PhysicalReviewLetters上，RosaMach-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RosaMach-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
RosaMach-Batlle,MarkG.Bason,NuriaDel-Valle,andJordiPrat-CampsPhys.Rev.Lett.125,177204–Published23October2020
