紅外，雷達，聲學和光學隱身是低可觀測性的新前沿，超材料競爭的勝利者將在下一場戰鬥中佔有巨大的優勢。
據美國海軍協會學報10月刊登約翰·米勒撰寫的文章稱，倫敦帝國學院的物理學家的物理學家約翰·彭德里（JohnPendry）教授發起了一場超材料革命。在1990年代後期，他發現了一些根本性的東西：他可以通過改變物體的內部結構來改變其材料特性，而無需改變其化學或分子組成。彭德里建議，建立一個複雜的晶格結構可以允許操縱物體的磁場和電場。從理論上講，這可以使工程師設計可以控制其與電磁光譜（包括可見光）相互作用的材料。
彭德里的理論引起了基礎材料研究的新領域：超材料和超表面。這些材料的效能超過了先前公認的天然和合成限制。一項應用的轟動性預測似乎已經實現2006年，大衛·史密斯（David Smith）和杜克大學（杜克大學）的宣佈宣佈隱形斗篷的概念證明。它使用超材料來遮蔽微波輻射。從檢測到掩蓋系統和武器的前景（使感測器無法看到它們）現在隱約可見。
在以前的時代，戰爭的重大創新突破了新材料和新設計的開發和應用。木殼帆船演變成鍍鐵的蒸汽動力軍艦。由於這些機翼改變了形狀以提高超音速效能，因此輕質鋁替代了機箱中的重木。這些演變中的每一個都依賴於一種新材料或設計，其效能克服了舊的侷限性，同時仍保留在已建立的科學定律的範圍內。
這次不一樣了。超材料和表面不會面臨相同的增量限制。在某些情況下，他們改變了對物理定律的常規理解。對於社會和戰士而言，超材料提供了近期和長期技術可能性。對於軍方而言，最令人擔憂的是，美國及其潛在的對手也同樣可以利用這些機會，而這些對手正在努力利用美國的進步。
基礎
對於敵方而言，用超材料或超表面網格覆蓋的飛機，輪船，潛艇或武器可能很難識別周圍的空氣和水。
超材料從其結構中獲得其物理，電和磁特性。那些有助於電磁和聲音不可見性的元素最好用微晶片（超材料）或獨特形狀和分層的複合材料和/或自然成分（超表面）的複雜晶格來概念化。通常，晶格元素的尺寸可達幾百奈米-十億分之一米。由於超材料可以動態地重塑其相關的電場和磁場，因此它們可以改變各種，其改變了各種形式的能量被吸收，反射，分散，折射和放大的方式。因此，超各種能量波（雷達，微波，紅外，可見光和聲波）與之相互作用的方式。材料以全新的方式控制能量。
基礎物理學是超材料設計的基礎。當能量波傳播通過一種介質（例如，空間，空氣，水，玻璃），越過邊界並與另一種介質相互作用時，該波會折射（彎曲）。想一想光線在通過稜鏡時會彎曲。這種現象被稱為斯涅爾定律。當該波遇到一個物件時，波的一部分會被反射，分散或吸收。例如，當光線照射到汽車時上時，一些光線會被吸收，但是反射的光線使我們能夠看到汽車並告訴我們它是什麼顏色。因為大多數感測器都測量發射能量的反射和/或吸收，所以實現接近零的反射和吸收將是完美隱身技術的最終狀態-所有發射的感測器能量都將返回，除了預期的環境損失。
由於多種獨特的特性，超材料可以控制物體周圍的能量吸收和折射。與超材料相關的最令人驚訝的發現之一是它們可能具有負的"折射率"，這是一種描述能量波在1967年，人們一直認為所有真實材料都必須具有正折射率。此特性使超材料可以在與天然材料和介質相反的方向上可控地。折射波。另一個特性涉及晶胞的形狀，大小和配置如何確定其介電常數（電）和磁導率（磁），即電場或磁場如何與其周圍環境相互作用。通過更改這些欄位，超材料和超表面可以在其整個結構中實現連續可變的屬性。這種特性使他們能夠以不同的方式重定向和分散能量波，貫穿整個材料。
規模挑戰
超材料仍然是一種相對較新的技術。它們已經存在了僅僅20年，但是卻取得了長足的進步。儘管它們的潛力巨大，但擴充套件技術難度很大。超材料的設計需要奈米級元件來操縱電磁光譜的紅外和可見光部分的波長。這一侷限性挑戰了工程師將其應用範圍從無線電波，微波和紅外波移至組成可見光譜的更長波長的能力。給定的超材料晶格層只能控制和/或操縱特定的波長。必須將不同的材料細分以影響更廣泛的範圍。但是分段增加了材料的複雜性和整體厚度，這不利地影響了應用。工業界將需要在定製電路板印刷中開發新功能外掛設計要求。
應用領域
通訊
通過提高電磁頻譜的敏捷性和冗餘度，基於超材料的天線可以幫助控制指揮和控制，以支援電磁機動戰。這種天線對準了尺寸，增加了功率輸出，改善了方向性，並增加了單個天線可能的頻率範圍。通過用電子掃描陣列（也稱為相控陣）代替傳統的無線電天線，聯合力量可以將先進的通訊能力引入小型單位和團體。天線增加的功率和方向性允許超材料設計至少部分地克服全光譜干擾能力。本質上，它們從對手"回購"頻譜的一部分。這些天線無需依賴定向衛星連線，而可以從任何角度"捕獲"傳輸。此外，它們允許快速，近乎連續地改變頻率，以提供額外的抗干擾能力。這種跨電磁頻譜的控制將是關鍵的任務推動者。
光學極限
感測器極限將感測器分開兩點所需的最小角度間隔。傳統上，繞射（即能量波在拐角處的彎曲，例如在停泊的船上繞海浪。超材料超透鏡通過折射能量波以新的方式彎曲，通過負折射控制色散來克服了這一限制。增加電光（EO）或紅外（IR）裝置的光學解析度可提高保真度，以便在更長的距離和更大的戰場範圍內進行收集。更重要的是，這些感測器可以小型化，以安裝在較小的有人和無人系統上。它們還提供了視覺觀察奈米級結構的能力。可以這樣做的光學裝置將在快速檢測化學，生物和放射威脅甚至船舶上的有毒氣體洩漏方面具有重要的應用。從地面部隊到飛機和輪船，光學系統的改進將大大提高戰場意識，決策能力和安全性。
超材料提供了紅外線甚至光學訊號顯著減少的前景。完全不可見的合理性是一個懸而未決的問題，但是使部隊更難被發現的軍裝即將出現。
武器
對於帶有EO或IR導引頭的精確制導武器，提高解析度可以在尺度範圍內識別和識別目標，從而提高智慧武器的效力。它還承諾提高當前美國防禦系統的精度，包括標準，愛國者，地面攔截器，地獄火（AGM-114）和響尾蛇（AIM-9）導彈。除了尋找者以外，超地面導彈護罩還可以改變下一代軍械，使其避免被整合的防空系統或飛機偵破，這些是一個潛在的重要應用。（這些導引頭和護罩的設計必須開放和對準，以應對敵方超材料和超表面的發展。）武器感測器和設計的綜合改進將使超材料用於掩蓋或偽裝船舶，飛機，
聲學
對超材料的初步研究集中於電磁現象，但最近的研究已經研究了超材料在聲學中的應用。由於水的密度和有限的壓縮能力，在水中傳播聲音的物理比在空氣中傳播的物理更具挑戰性。儘管如此，賓夕法尼亞州立大學的研究人員於2018年透露，他們設計了一個三英尺高的帶孔鋼金字塔，它對於寬頻聲納頻率實際上是不可見的-一種"聲學地面披風"，可以抑制聲音發射甚至完全掩蓋物體。在海域，避免被發現的能力取決於擊敗主動和被動聲納。超材料的聲音阻尼將提供掩蓋船舶和潛艇自身噪聲的可能性。機械超材料還提供了類似的機會，不僅可以掩蓋聲學，而且可以儲存能量和管理熱足跡。像飛機的隱形一樣，艦船，潛艇，地雷或無人水下航行器的隔音罩可通過使戰鬥的驚奇性恢復活力來提供重要的戰鬥優勢。這種阻尼技術已經在原型中，並且很快將在現場進行測試。
前進取勝
通過跨領域和跨頻譜的使用，超材料為控制戰場提供了許多機會。它們在平臺，感測器和武器中的廣泛應用證明了超材料的變革潛力。面臨的挑戰是與任何敵對者保持並駕齊驅，其決心反映了在超材料領域的主導地位。美國必須振興自己的國防企業來應對這一挑戰。尤其是，國防部必須在行業，政府和高等教育中吸引戰士，科學家和工程師，在建立可持續能力的同時抓住超材料應用的前沿。通過整合終端使用者，原型功能，開發和釋出增量功能以及建立模組化的開放系統，海軍和國防部可以在超材料應用領域實現敏捷性並增加部隊的殺傷力。必須嚴格控制這些應用程式，密切關注對手。這些材料昭示"未來即現在"。