Ý nghĩa vật lý của hiện tượng tàng hình potx

Ý nghĩa vật lýcủa hiện
tượng tàng hình
7. Siêu vật liệu
Tính chất củamột vật liệu như cơ tính,hóa tính,lý tính, điện tính,từ tính,
quangtính lànhững đặc tính tùy thuộcvào bản chất hóahọc của các phântử làm
nên vậtliệu đó. Đó là những điều hiểubiết kinhđiển.Khi muốnbiến đổi tính chất
của một vật liệu, người ta thường cókhuynh hướngdùng các phương pháp cải
biến hóahọc để thực hiện.Thí dụ, cho vào sắt mộtvài phần trăm carbonđể chế tạo
thépcó độ cứngvà độ bền tốt hơn sắt. Điện tínhcủa chấtbán dẫn silicon cũng
đuợc biến đổi bởi các chất tạpgọi làdopant. Trong vật liệu polymer, tacó thể tiên
đoán được các tính chất của polymertừ các đặc tính của phân tử (monomer) tạo
thành.Từ đó, ta có thể dùng các loại monomerkhác nhau,biến đổi một cách "hóa
học"để tạo một compositevớicác đặc tính tối ưu. Như thế, biếnđổi tínhchất vật
liệu quacác phương pháp hóahọc như tổng hợp,gia côngvới chất phụ gia hay tạo
các loạicompositeđã trở thành nhữngphương thức chế biến lâu đời trongkhoa
học vật liệu.
Tương tự, trongquanghọc và điện từ học đặc tính điệnvà từ của vật chất là
yếu tố quan trọngtrongviệc tậndụngvà chế ngự ánh sáng theo các nhucầu. Chẳng
hạn như các loại thấu kính máy ảnh, kính mắt hay sợi quang(opticalfibre) được
thiết kế dựa vào việc điều chỉnh hóatính của vật chấtđể cungcấp các đặc tính
thích hợp cho từng ứng dụng.Thí dụ, ngườita điều chỉnh thành phần hóa học của
sợi quangđể có thể truyền quang trên đoạn đườngdài;cho chì vàothủy tinhđể gia
tăng chiết suấtlàm lăngkính hay lytách gia dụng sang trọng; cho hạtnano vàng
vào để chế tạothủy tinhnhiều màu dùng choviệc trangtrí như trong các khung
cửa giáo đường.Mộtthí dụ cho một ứng dụng quang họckháclà ngườita dùng các
loại plastic(polymer) trong suốtthay chothủy tinhđể giảm trọng lượngcho các
loại kínhcận. Nhưngchiết suất của các loại polymer lạinhỏ hơn thủy tinh,cho nên
kính plasticdày hơn kínhthủy tinh. Để gia tăngchiếtsuất, kính plasticthường
được cải biến bằng cách dùng các nhómchức chứa bromine(Br) làmgiảm độ dày
của kínhnhưngvẫn duy trì được tiêucự (độ của kính), nhẹ hơn và hơn hếtlà gìn
giữ được vẻ đẹp của gương mặt ngườimang.

Những thídụ trên cho thấy khiphân tử được cải biếnthì các tínhchất quang
học và điện từ của vật chất cũng đượccải biến. Nhưngđây khôngphải là con
đườngduy nhấtđể định đoạt những đặc tính điện từ của vật chất. Từ năm 2000,
một loại vật liệu nhân tạo gọi là "siêu vật liệu" (metamaterial) được khám phá và
đang trở thànhmột đề tài nghiên cứu "nóng" trong cácđại học, viện nghiên cứu
doanh nghiệp và quốc phòng. Khác với vật liệu chế biến từ thiên nhiên như chất vô
cơ (chất bándẫn), hữu cơ (carbon, polymer),kim loại và oxitkim loại,siêu vậtliệu
là một cấu trúc được thiết kế hoàn toàn nhântạo bằng cách bố trí (engineer)
những đơn vị cấu trúc saocho các đặctính điệntừ quan trọng như độ từ thẩm và
độ điện thẩm có trị số theo ý muốn kể cả trị số âm.Đặctínhvà hìnhdạng của
những đơn vị này sẽ được đề cập ở phầnsau.
Cơ quan "European Virtual Institute for Artificial Electromagnetic Materials
and Metamaterials" địnhnghĩa siêu vật liệu là "một sắp xếp của các thành phần cấu
trúc nhân tạo được thiết kế để đạt được những đặc tính điện từ thuận lợi và khác
thường" (an arrangementof artificial structural elements,designed to achieve
advantageousand unusualelectromagneticproperties) [15]. Tạp chí Nature đã
xem việc phát hiện siêu vật liệu như là mộtcột mốc quantrọngtrong lịch sử vật lý
mang tầm vócngang hàngvới việc khám phá laser, pin mặt trời hay thông tin
lượng tử (quantuminformation).Khônggì ngạcnhiên khicơ quan DARPA
(Defense AdvancedResearch Projects Agency) củachính phủ Mỹ tỏ rarất hào
phóngtrước những đề án nghiên cứu siêu vật liệu vàtrong mười năm qua đã tích
cực tài trợ các cuộc hộithảo liên quan đến lý thuyết vàứng dụngcủa vậtliệu này.
Cho đến nay (năm 2010),các bàibáo cáovề những thànhquả nghiên cứu của siêu
vật liệu đã được đăng tải lên các tạp chí chuyên ngànhnổi tiếng như Science,
Nature,Nature Materials, PhysicalReview Letters,gia tăng theo cấp lũy thừacó
đến số ngàn, chưa kể đến những bài tổng quanđặc sắc trong ScientificAmerican,
PhysicsToday, PhysicsWorld,Materials Today,MRSBulletinv.v
Như chúng ta sẽ thấy ở phần kế tiếp, so với vật liệu cổ điển từ thiên nhiên
những đặc tính điệntừ của siêu vật liệu rất khác thường và phản trực cảm,đi
ngược lại những thườngthức mà người ta đã biết từ những kinhđiển chính quy.

Chínhvì sự khác thườngvà phản trực cảm, vật liệu nhân tạo này đượcbiểu hiện
bằngtiền tố "siêu" dịch từ chữ "meta" có nguồn từ tiếng Hy Lạp, nghĩa là"vượt"
(beyond). Siêu vật liệu "vượt"qua những vật liệu cổ điển nằm ở ý nghĩa là khiđơn
vị cơ bản của vật chất như chúng ta thường biết là phân tử, thì trong siêu vật liệu là
những đơn vị cấu trúc nhân tạo có kíchcỡ từ milimét đến nanomét. Siêu vật liệu
cho ta một khái niệmmới và phương thức mới tập trungvào việc cải biến các đơn
vị cấutrúc hơnlà thayđổi đặctínhhóa học củaphân tử như trong các vật liệu cổ
điển. Những đơn vị này có thể xem như "phân tử" theo nghĩarộng, quyết địnhcác
chức năng vàđặc tínhđiện từ của siêu vật liệu. Chúngcó thể là que micro/nano
vàng, sợi micro/nanobạc, mạng lưới vimô haylà một vòngkimloại cókhe hở [16]
[Hình 9].Hìnhdáng, kích thước vàcáchsắp xếp củanhững đơn vị này đã được tính
toántrước để thích ứng chomột ứng dụnggây rado kết quả của sự tươngtác giữa
siêu vật liệu vàsóng điện từ.
Hình 9: Một thí dụ về đơn vị cấu trúc của một siêu vật liệu dùng trong vi ba: (a)
Vòng kim loại đồng có khe hở kích cỡ milimét, (b) Cứ sáu vòng thì làm nên một đơn
vị được in lên hai bảng nền cách điện cao 1 cm gắn thẳng góc vào nhau [16].
Trongviệc thiết kế siêu vật liệu nhữngđơn vị tạo thành phải nhỏ hơn bước
sóng của sóngđiện từ đuợc sử dụng. Như thế, sóng điện từ không thể "nhìn"được
từng chitiết của đơn vị mà chỉ "thấy" mộtvật liệu đồngnhất, giốngnhư ta nhìn
một ly thủytinh chứanước chỉ thấy nước và thủy tinh,mà không thấy phân tử
thủy tinhhay phân tử nước. Thídụ, sóng vi ba có bước sóng vài centimét, đơn vị
cấu trúcđể tương tácvới vi bacó thể ở cấpmilimét.Ta thoải mái thiết kế và cải
biến những đơn vị cấu trúc ở kích cỡ này để thao túngđường đi của sóng mà sóng
"khônghề haybiết". Đối với ánhsáng thấy được (cóbướcsóng vài trăm nanomét),
việc thiết kế đòi hỏi kỹ năng củacông nghệ nano với sự chínhxác ở cấp nanomét.
Siêuvật liệu có lẽ không xuấthiện nếu không có lý thuyết của một nhàkhoa
học ngườiNga tên là Veselago và sự bén nhạy củagiáo sư vật lý John Pendrytại
ImperialCollege London (AnhQuốc). Độ từ thẩm và độ điện thẩm của vậtchất
thiên nhiên phần lớncó trị số dương và không cóvật chất nào đồng thời cùngcó
trị số âm.Nhưng vào năm 1968, Veselago nảysinh mộtý tưởng lạ đời rằng nếuta

có mộtvật liệu mà độ từ thẩm và độ điện thẩmđồng thời có trị số âm thì sự đời sẽ
đổi thaynhư thế nào? Ông phátbiểu nhữngtính toán và suyluận trên tạp chí
SovietPhysics Uspekhi[17]. Tuy nhiên, bài báovật lý mangý nghĩamông lungnày
dễ dàngchìm vào quênlãng. Bỗngnhiên, một ngày đẹp trời nàođó vàonăm 2000
khi cộngđồng nghiêncứu khoahọc đưa ra kháiniệm "siêu vật liệu" với tiềm năng
chế tạo nhữngvật liệucó độ từ thẩm và độ điện thẩm ở bất kỳ trị số nào cả dương
lẫn âmvà zero, thì nhữngđiềutiên đoántrong bài báo cáo của Veselagonằm im
lìm hơn30 nămqua trong một xó xỉnh đầy bụi được lôi ra ánh sáng. Lýluận của
ông trở thành mộtchuẩnmực vìvật liệu có độ từ thẩm và độ điện thẩm âm là một
siêu vật liệu tối thượng mà các nhàkhoa học muốn đạttới. Cũng rất dễ hiểukhi bài
báo cáo củaVeselago chỉ vỏn vẹn6 trang giấy nhưng đã được tríchdẫn hơn3.000
lần trong 10 năm qua,một con số rất tochứng tỏ địa vị tiên phongvà tầm quan
trọng của lý thuyết Veselago.
Quanghọc cơ bản cho ta biết rằng độ từ thẩm và độ điện thẩm có liên quan
trực tiếp đếnchiết suất (Phụ lục c). Chiết suất của không khí (xemkhôngkhí như
là chân không) là 1trong khi chiết suấtcủa nước là 1,33,thủy tinh là 1,5.Trị số của
chiết suất làdương. Khi tia sáng (haysóng điện từ)đi từ môi trường này đến môi
trường kiacó chiết suất khác nhauthì đườngđi của ánh sáng sẽ bị khúcxạ ở mặt
tiếp giáp. Đó là những hiện tượng thườngthấy khi tia sáng đi từ không khí sang
môitrường nước (hay thủy tinh).Vật liệu"giả tưởng" trong bàiviết của Veselago
có độ từ thẩm âm và độ điện thẩm âm nênchiết suấtcũng làmộtsố âm. Người ta
gọi đây là vật liệu cóchiết suất âm (negative refractive index materials, NIM)và
như đề cập ở trên đâylà siêu vật liệu các nhà khoahọc đang nhắm tớivì các tiềm
năng ứng dụng"đổi đời"trong quang học, điện từ học,điện tử học và quang điện
tử (photonics).Hình 10avà 10b[18] minhhọa haitrường hợp khúcxạ trong môi
trường có chiết suất dương và chiết suất âm.
Hình 10a: Nguyên lý khúc xạ của ánh sáng trong (a) môi trường chiết suất
dương và (b) môi trường chiết suất âm.
Hình 10b: Khúc xạ trong chất lỏng có chiết suất dương (hình trái) và trong
chất lỏng giả tưởng có chiết suất âm [18].

Những kết quả khoahọc thườngđến trongtay nhữngngườinghiên cứu qua
một sự ngẫu nhiên. Ý tưởng về siêu vật liệu tàng hình cũngngẫu nhiên phát xuất từ
một mẫu vậtliệu hấp thụ radar.Vào giữa thập niên 90của thế kỷ trước, công ty
Marconi Materials Technology(Anh Quốc) chuyên sản xuấtnhững vậtliệu tàng
hình thương mại đã nhờ Pendry tư vấn về cơ chế hấp thụ radarcủa mộtmẫu sợi
carbon.Pendry phát hiện mộtđiều thú vị là điện tính của carbontạo rasự hấpthụ
sóng radarkhôngnhữngtừ bảnchất cố hữu của carbon màcòn dohình dạng dài
và mỏng củasợi carbon. Việc khám phá về sự liên hệ giữa điện tính và hình dáng
vật liệu này khiến ông liên tưởngđếnmột liênhệ tương tự cho từ tính.Câu hỏi ông
đặt ralà: có khả năng nào chế tạo một vật liệu phitừ (non-magnetic) trở nênvật
liệu mangtừ tính bằng cách điều chỉnhhình dạngcủa vật ấy? Suy nghĩ này không
phải là hoang tưởng mà có cơ sở lý luận phảngphất trongcác công thứccủa
phươngtrình Maxwell. Rằng là khi có một dòngđiệnchạy ngang mộtvật (chẳng
hạn như sợi dây hay vòngkimloại) thì từ trườngcảm ứng sẽ phát sinhxungquanh
vật đó. Từ nguyên lý cơ bản này, sự tưởng tượngđưaPendry tiến thêm một bước
nữa là nếu ta tạo ra vôsố vòngcực nhỏ bằng đồng (đồng là kim loại phitừ) rồi cài
chúng vào một chất nền, sau đó cho dòng điện chạy quacác vòng nàythì ta sẽ có
một cảmứng từ.Nếu ta kết hợp sợi carbon mangđiện tính củacông tyMarconi tạo
ra mộthỗn hợp với cácvòng tí honvới cảm ứng từ thì ta có cơ may chế ngự được
bức xạ điện từ theo ý muốn. Pendryvô hình trung đã có những ý niệm tiênkhởi
tạo ra một siêu vật liệu có khả năng tạo hiệu ứng tàng hình trong một băng tầnvô
cùng rộnglớnkéo dài từ vùng viba đến vùng ánhsáng thấy được.
Hình 11: Siêu vật liệu hay vật liệu có chiết suất âm đầu tiên. Đơn vị cấu trúc
(Hình 9) được lắp ráp thành một hệ thống lập thể có trình tự nhất định với các vòng
đồng có khe hở cho độ từ thẩm âm và sợi dây đồng cho độ điện thẩm âm trong vùng
vi ba.
Độ điện thẩm âmhiện diện trong một số vật liệu nhưngđộ từ thẩm âm là
một điều hiếm có. Vật liệu cùng có đồng thời hai trị số âm và do đó có chiết suất âm
theo ý tưởngcủa Veselago, lại càng hiếm hoi nếu khôngnói là vôvọng.
Nhưng, "đừng tuyệt vọng, em ơi đừng tuyệt vọng"! Người hùng Pendrysừng sững

xuấthiện như một vị cứu tinh…Việc tạo rađộ điện thẩm âmtương đốidễ dàng
hơnđộ từ thẩm âm nên Pendryđặc biệtquan tâm đếntừ tính củavật liệu. Xuất
pháttừ vật phitừ biến thành vật mang đặc tính từ, Pendrysuy diễn tiếpkhả năng
biếnđổi hìnhdángvà kích thước của vòngkimloạiđồngđể tạo mộtđộ từ thẩmâm.
Ông và các cộng sự đề nghị vòng kim loại có mộtkhe hở có thể cộnghưởng và tạo
ra độ từ thẩm âm khi tác dụngvới sóng điệntừ [19]. Ônggọi tênđơn vị cấu trúc
này là vòng cộng hưởnghở (split ringresonator). Nhóm nghiên cứu SanDiego tại
Đại họcCalifornia(San Diego, Mỹ) tiếp tục phát huy cấutrúc này và lần đầu tiên
trong lịch sử khoa học tạo ra một vật liệu có chiết suất âm được công bố trong ba
bài báo cáo quan trọng[20-22]. Đây làmộtcấu trúc lập thể được tạo thànhbằng
những vòng kimloại đồng có khehở in ở mặttrước và sợi đồngtheo chiều dọc ở
mặtsau [22](Hình 11). Khi sóngvi ba tácdụng lên cấu trúc lập thể này thì vòng
đồngsản sinh rađộ từ thẩmâm và sợiđồngcho độ điện thẩm âm.Từ góc khúc xạ
của sóng,nhómnghiên cứuSan Diego tìm thấy trị số chiết suất củasiêu vật liệu
này là -2,7[22].
Công trình thực nghiệm của nhóm San Diego khẳngđịnh lý thuyết của
Veselagovà đã biến giấcmơ Veselago thànhhiện thực. Cấu trúc lập thể với các kết
quả thí nghiệm của nhóm San Diego là một bước nhảyvọt trongquang học và điện
từ học, một niềm hân hoancủaphe "khẳng định" nhưng lại là mộtmối hoài nghi
của phe"phủ định".Cácnhà khoahọc không dễ dàng chấp nhậnnhững gìquá mới
đi ngược với cái trực cảm vốn có, haynhững độtphá muốn chọc thủngquán tính
của tư duy. Hoài nghi là một đặctính chungcủa các nhàkhoa học và nóám chỉ
rằng dưới kết quả được phát hiện của một cuộc thí nghiệm vẫn cònnhiều việc phải
làm và nhiều điều phải được lýgiải nghiêmtúc theo đúng cácquy luật vật lý.
Nhưng trước khiđám bụi mù của nhữngcuộc tranh luậnlắng đọng thìđã có rất
nhiều đề xuấtứng dụng cho siêuvật liệu. Vật liệu chiết suất âmđã mở ra hàng loạt
những tiềm năng mới cho các dụng cụ quanghọc, điệntừ, quangđiện tử, sinhhọc
và sinhy học.Đặc biệt, nhữngthành côngở vùng sóngvi ba trở thành nền tảng cho
việc chế tạo siêu vật liệu với bố trí cấp nano(nano-engineering) để triểnkhai tới
các vùngsóng vớibước sóng ngắn hơn như vùng hồng ngoại vàánh sángthấy

được - nhữngvùng sóng chocon người nhiều ứng dụng hữu ích.
Dựa theoý tưởng của Veselago, chúngta hãyxem siêu vật liệu cóthể đóng
góp nào để cải thiện mộtdụngcụ quang học đơngiản nhất: cái thấu kính.
8. Siêu vật liệu và siêu thấu kính
Veselagothảo luận đường đi của ánh sáng qua một thấukính giả tưởngcó
chiết suất âm mà bây giờ người ta gọi là "siêu thấukính"(superlens)(Hình 12).
Vào năm2000, Pendryhồi sinh vàtriển khailý thuyết Veselagoqua bài viết có tựa
đề là"Negative refraction gives a perfect lens" (Chiết suất âm làm ra chiếc thấu kính
lý tưởng)[23]."Chiếc thấu kínhlý tưởng"trong bài viết củaPendry có nghĩa là
siêu thấu kính.Báo cáo này đã làm sôi nổi cộngđồng nghiên cứuquang học và điện
từ học. Trongkhi Veselago còn ngập ngừngở giaiđoạn lý thuyếtvà giả tưởng thì
Pendryhùnghồn khẳng định và chứng minh rằng việcchế tạo vật liệu chiết suất
âm là khả thi và siêuthấu kính hiện hữu với những tiềmnăng tuyệt vời.
Hình 12: Đường đi của ánh sáng đi qua (a) một thấu kính bình thường có
chiết suất dương và (b) siêu thấu kính có chiết suất âm.
Tại sao gọi là "siêu thấu kính"? Thấukính là một bộ phận trung tâmcủa các
dụngcụ quanghọc từ cái máy ảnhbình thường,kính hiển viquanghọc đếnkính
viễn vọng thiên văn. Dù được chế tạo cực kỳ hoàn hảo,không chứa những khuyết
tật gây ra trong quá trìnhsản xuất, thấu kính quang học vẫn không cho hìnhảnh rõ
rệt của vật quansát khivật nàycó kíchthước tươngđươngvới bướcsóng ánh
sáng.Nếu bướcsóng của ánh sáng trắng là 550nm (nanomét) (trungbình cộng
của bướcsóng ánh sángtím 400 nmvà ánhsángđỏ 700nm) thì hìnhảnh của vật
nhỏ hơn 550 nm(độ lớn của vi-rút) trongkính hiển vi quang học sẽ bị nhoè vì
nhiễu xạ (diffraction).Tuy nhiên,siêuthấu kínhlàm từ vật liệu cóchiết suất âm sẽ
khôngbị ảnh hưởngcủa sự nhoè ảnh donhiễu xạ. Điềunày chothấy siêu thấu kính
sẽ cho con người một dụngcụ quang học để quansát một vật có độ lớn nhỏ hơn
bướcsóng của ánh sáng[24].
Khả năng "kỳ quái" của siêu thấu kínhlàm tan biến sự nhòe nhiễu xạ lập tức
có nhữngđề nghị ứngdụng trong li-tô quang học(opticallithography) haytạo ra
những vimạch đến cấp nanomét, sản xuất cácloại đĩaquanghọc (DVD,CD) với

lượng trữ dữ liệuvài trăm lần nhiều hơn và tiềm năngxử lý dữ liệu bằng ánh sáng
trong máy vitính hay dụng cụ điện tử. Ngoài ra,kính hiển vi có một vai trò đặc biệt
trong sinhhọc.Việc quansát vi-rút, phân tử sinh họcnhư DNA, proteinbằng kính
hiển viđiện tử là một thườngthức, nhưng tiếc thay tiađiện tử mang nănglượng
cao sẽ "giết" nhữngphân tử sinhhọc này trong lúc quansát. Kính hiển viquang
học dùngánhsáng qua siêu thấu kính sẽ cho ta thấy vậtchất sinh học trongtrạng
thái "sống"và đây sẽ là chiếc chìa khóa để giải mãnhững bí mậtsinh học duytrì sự
sống của mọi sinhlinhở tận cùngphântử. Ngày xuất hiện các sản phẩmnày trên
thương trường có lẽ còn xa, nhưng theoPendry giấcmơ của Veselago dứt khoát
đang trở thànhhiện thực và một thập niên đã trôi quacho thấy nhữngthànhquả
đầy kinh ngạctrong lĩnh vực này.