Ý nghĩa vật lý của hiện tượng tàng hình potx

Siêu vật liệu Tính chất của một vật liệu như cơ tính, hóa tính, lý tính, điện tính, từ tính, quang tính là những đặc tính tùy thuộc vào bản chất hóa học của các phân tử làm nên vật liệu

Ý nghĩa vật lý của hiện

tượng tàng hình

7 Siêu vật liệu

Tính chất của một vật liệu như cơ tính, hóa tính, lý tính, điện tính, từ tính, quang tính là những đặc tính tùy thuộc vào bản chất hóa học của các phân tử làm nên vật liệu đó Đó là những điều hiểu biết kinh điển Khi muốn biến đổi tính chất của một vật liệu, người ta thường có khuynh hướng dùng các phương pháp cải biến hóa học để thực hiện Thí dụ, cho vào sắt một vài phần trăm carbon để chế tạo thép có độ cứng và độ bền tốt hơn sắt Điện tính của chất bán dẫn silicon cũng đuợc biến đổi bởi các chất tạp gọi là dopant Trong vật liệu polymer, ta có thể tiên đoán được các tính chất của polymer từ các đặc tính của phân tử (monomer) tạo thành Từ đó, ta có thể dùng các loại monomer khác nhau, biến đổi một cách "hóa học" để tạo một composite với các đặc tính tối ưu Như thế, biến đổi tính chất vật liệu qua các phương pháp hóa học như tổng hợp, gia công với chất phụ gia hay tạo các loại composite đã trở thành những phương thức chế biến lâu đời trong khoa học vật liệu

Tương tự, trong quang học và điện từ học đặc tính điện và từ của vật chất là yếu tố quan trọng trong việc tận dụng và chế ngự ánh sáng theo các nhu cầu Chẳng hạn như các loại thấu kính máy ảnh, kính mắt hay sợi quang (optical fibre) được thiết kế dựa vào việc điều chỉnh hóa tính của vật chất để cung cấp các đặc tính

thích hợp cho từng ứng dụng Thí dụ, người ta điều chỉnh thành phần hóa học của sợi quang để có thể truyền quang trên đoạn đường dài; cho chì vào thủy tinh để gia tăng chiết suất làm lăng kính hay ly tách gia dụng sang trọng; cho hạt nano vàng vào để chế tạo thủy tinh nhiều màu dùng cho việc trang trí như trong các khung cửa giáo đường Một thí dụ cho một ứng dụng quang học khác là người ta dùng các loại plastic (polymer) trong suốt thay cho thủy tinh để giảm trọng lượng cho các loại kính cận Nhưng chiết suất của các loại polymer lại nhỏ hơn thủy tinh, cho nên kính plastic dày hơn kính thủy tinh Để gia tăng chiết suất, kính plastic thường được cải biến bằng cách dùng các nhóm chức chứa bromine (Br) làm giảm độ dày của kính nhưng vẫn duy trì được tiêu cự (độ của kính), nhẹ hơn và hơn hết là gìn giữ được vẻ đẹp của gương mặt người mang

Những thí dụ trên cho thấy khi phân tử được cải biến thì các tính chất quang học và điện từ của vật chất cũng được cải biến Nhưng đây không phải là con

đường duy nhất để 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 thành một đề tài nghiên cứu "nóng" trong các đại học, viện nghiên cứu doanh nghiệp và quốc phòng Khác với vật liệu chế biến từ thiên nhiên như chất vô

cơ (chất bán dẫn), hữu cơ (carbon, polymer), kim loại và oxit kim loại, siêu vật liệu

là một cấu trúc được thiết kế hoàn toàn nhân tạo bằng cách bố trí (engineer)

những đơn vị cấu trúc sao cho các đặc tính điện từ quan trọng như độ từ thẩm và

độ điện thẩm có trị số theo ý muốn kể cả trị số âm Đặc tính và hình dạng của

những đơn vị này sẽ được đề cập ở phần sau

Cơ quan "European Virtual Institute for Artificial Electromagnetic Materials

and Metamaterials" định nghĩa 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 arrangement of artificial structural elements, designed to achieve

advantageous and unusual electromagnetic properties) [15] Tạp chí Nature đã xem việc phát hiện siêu vật liệu như là một cột mốc quan trọng trong lịch sử vật lý mang tầm vóc ngang hàng với việc khám phálaser, pin mặt trời hay thông tin

lượng tử (quantum information) Không gì ngạc nhiên khi cơ quan DARPA

(Defense Advanced Research Projects Agency) của chính phủ Mỹ tỏ ra rất hào phóng trước những đề án nghiên cứu siêu vật liệu và trong mười năm qua đã tích cực tài trợ các cuộc hội thảo liên quan đến lý thuyết và ứng dụng của vật liệu này Cho đến nay (năm 2010), các bài báo cáo về những thành quả nghiên cứu của siêu vật liệu đã được đăng tải lên các tạp chí chuyên ngành nổi tiếng như Science,

Nature, Nature Materials, Physical Review Letters, gia tăng theo cấp lũy thừa có đến số ngàn, chưa kể đến những bài tổng quan đặc sắc trong Scientific American, Physics Today, Physics World, Materials Today, MRS Bulletin v.v

Như chúng ta sẽ thấy ở phần kế tiếp, so với vật liệu cổ điển từ thiên nhiên những đặc tính điện từ của siêu vật liệu rất khác thường và phản trực cảm, đi

ngược lại những thường thức mà người ta đã biết từ những kinh điển chính quy Chính vì sự khác thường và phản trực cảm, vật liệu nhân tạo này được biểu hiện bằng tiền 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 khi đơn

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 kích cỡ từ milimét đến nanomét Siêu vật liệu cho ta một khái niệm mới và phương thức mới tập trung vào việc cải biến các đơn

vị cấu trúc hơn là thay đổi đặc tính hóa học của phân tử như trong các vật liệu cổ điển Những đơn vị này có thể xem như "phân tử" theo nghĩa rộng, quyết định các chức năng và đặc tính điện từ của siêu vật liệu Chúng có thể là que micro/nano vàng, sợi micro/nano bạc, mạng lưới vi mô hay là một vòng kim loại có khe hở [16] [Hình 9] Hình dáng, kích thước và cách sắp xếp của những đơn vị này đã được tính toán trước để thích ứng cho một ứng dụng gây ra do kết quả của sự tương tác giữa siêu vật liệu và sóng 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].

Trong việc thiết kế siêu vật liệu những đơn vị tạo thành phải nhỏ hơn bước sóng của sóng điện từ đuợc sử dụng Như thế, sóng điện từ không thể "nhìn" được từng chi tiết của đơn vị mà chỉ "thấy" một vật liệu đồng nhất, giống như ta nhìn một ly thủy tinh chứa nước chỉ thấy nước và thủy tinh, mà không thấy phân tử

thủy tinh hay phân tử nước Thí dụ, sóng vi ba có bước sóng vài centimét, đơn vị cấu trúc để tương tác với vi ba có thể ở cấp milimét Ta thoải mái thiết kế và cải biến những đơn vị cấu trúc ở kích cỡ này để thao túng đường đi của sóng mà sóng

"không hề hay biết" Đối với ánh sáng thấy được (có bước sóng vài trăm nanomét), việc thiết kế đòi hỏi kỹ năng của công nghệ nano với sự chính xác ở cấp nanomét

Siêu vật liệu có lẽ không xuất hiện nếu không có lý thuyết của một nhà khoa học người Nga tên là Veselago và sự bén nhạy của giáo sư vật lý John Pendry tại Imperial College London (Anh Quốc) Độ từ thẩm và độ điện thẩm của vật chất

thiên nhiên phần lớn có trị số dương và không có vật chất nào đồng thời cùng có trị số âm Nhưng vào năm 1968, Veselago nảy sinh một ý tưởng lạ đời rằng nếu ta

có một vật liệu mà độ từ thẩm và độ điện thẩm đồng thời có trị số âm thì sự đời sẽ đổi thay như thế nào? Ông phát biểu những tính toán và suy luận trên tạp chí

Soviet Physics Uspekhi [17] Tuy nhiên, bài báo vật lý mang ý nghĩa mông lung này

dễ dàng chìm vào quên lãng Bỗng nhiên, một ngày đẹp trời nào đó vào năm 2000 khi cộng đồng nghiên cứu khoa học đưa ra khái niệm "siêu vật liệu" với tiềm năng

chế tạo những vật liệu có độ từ thẩm và độ điện thẩm ở bất kỳ trị số nào cả dương lẫn âm và zero, thì những điều tiên đoán trong bài báo cáo của Veselago nằm im lìm hơn 30 năm qua trong một xó xỉnh đầy bụi được lôi ra ánh sáng Lý luận của ông trở thành một chuẩn mực vì vật liệu có độ từ thẩm và độ điện thẩm âm là một siêu vật liệu tối thượng mà các nhà khoa học muốn đạt tới Cũng rất dễ hiểu khi bài báo cáo của Veselago chỉ vỏn vẹn 6 trang giấy nhưng đã được trích dẫn hơn 3.000 lần trong 10 năm qua, một con số rất to chứng tỏ địa vị tiên phong và tầm quan trọng của lý thuyết Veselago

Quang học cơ bản cho ta biết rằng độ từ thẩm và độ điện thẩm có liên quan trực tiếp đến chiết suất (Phụ lục c) Chiết suất của không khí (xem không khí như

là chân không) là 1 trong khi chiết suất của nước là 1,33, thủy tinh là 1,5 Trị số của chiết suất là dương Khi tia sáng (hay sóng điện từ) đi từ môi trường này đến môi trường kia có chiết suất khác nhau thì đường đi của ánh sáng sẽ bị khúc xạ ở mặt tiếp giáp Đó là những hiện tượng thường thấy khi tia sáng đi từ không khí sang môi trường nước (hay thủy tinh) Vật liệu "giả tưởng" trong bài viết của Veselago

có độ từ thẩm âm và độ điện thẩm âm nên chiết suất cũng là một số âm Người ta gọi đây là vật liệu có chiết suất âm (negative refractive index materials, NIM) và như đề cập ở trên đây là siêu vật liệu các nhà khoa học đang nhắm tới vì các tiềm năng ứng dụng "đổi đời" trong quang học, điện từ học, điện tử học và quang điện

tử (photonics) Hình 10a và 10b [18] minh họa hai trường hợp khúc xạ 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 khoa học thường đến trong tay những người nghiên cứu qua một sự ngẫu nhiên Ý tưởng về siêu vật liệu tàng hình cũng ngẫu nhiên phát xuất từ một mẫu vật liệu hấp thụ radar Vào giữa thập niên 90 của thế kỷ trước, công ty Marconi Materials Technology (Anh Quốc) chuyên sản xuất những vật liệu tàng hình thương mại đã nhờ Pendry tư vấn về cơ chế hấp thụ radar của một mẫu sợi carbon Pendry phát hiện một điều thú vị là điện tính của carbon tạo ra sự hấp thụ sóng radar không những từ bản chất cố hữu của carbon mà còn do hình dạng dài

và mỏng của sợi carbon Việc khám phá về sự liên hệ giữa điện tính và hình dáng vật liệu này khiến ông liên tưởng đến một liên hệ tương tự cho từ tính Câu hỏi ông đặt ra là: có khả năng nào chế tạo một vật liệu phi từ (non-magnetic) trở nên vật liệu mang từ tính bằng cách điều chỉnh hình dạng của vật ấy? Suy nghĩ này không phải là hoang tưởng mà có cơ sở lý luận phảng phất trong các công thức của

phương trình Maxwell Rằng là khi có một dòng điện chạy ngang một vật (chẳng hạn như sợi dây hay vòng kim loại) thì từ trường cảm ứng sẽ phát sinh xung quanh vật đó Từ nguyên lý cơ bản này, sự tưởng tượng đưa Pendry tiến thêm một bước nữa là nếu ta tạo ra vô số vòng cực nhỏ bằng đồng (đồng là kim loại phi từ) rồi cài chúng vào một chất nền, sau đó cho dòng điện chạy qua các vòng này thì ta sẽ có một cảm ứng từ Nếu ta kết hợp sợi carbon mang điện tính của công ty Marconi tạo

ra một hỗn hợp với các vòng tí hon với cảm ứng từ thì ta có cơ may chế ngự được bức xạ điện từ theo ý muốn Pendry vô hình trung đã có những ý niệm tiên khởi tạo ra một siêu vật liệu có khả năng tạo hiệu ứng tàng hình trong một băng tần vô cùng rộng lớn kéo dài từ vùng vi ba đến vùng ánh sáng 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 âm hiện diện trong một số vật liệu nhưng độ 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 tưởng của Veselago, lại càng hiếm hoi nếu không nói là vô vọng

Nhưng, "đừng tuyệt vọng, em ơi đừng tuyệt vọng"! Người hùng Pendry sừng sững

xuất hiện như một vị cứu tinh… Việc tạo ra độ điện thẩm âm tương đối dễ dàng hơn độ từ thẩm âm nên Pendry đặc biệt quan tâm đến từ tính của vật liệu Xuất phát từ vật phi từ biến thành vật mang đặc tính từ, Pendry suy diễn tiếp khả năng biến đổi hình dáng và kích thước của vòng kim loại đồng để tạo một độ từ thẩm âm Ông và các cộng sự đề nghị vòng kim loại có một khe hở có thể cộng hưởng và tạo

ra độ từ thẩm âm khi tác dụng với sóng điện từ [19] Ông gọi tên đơn vị cấu trúc này là vòng cộng hưởng hở (split ring resonator) Nhóm nghiên cứu San Diego tại Đại học California (San Diego, Mỹ) tiếp tục phát huy cấu trúc 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 là một cấu trúc lập thể được tạo thành bằng những vòng kim loại đồng có khe hở in ở mặt trước và sợi đồng theo chiều dọc ở mặt sau [22] (Hình 11) Khi sóng vi ba tác dụng lên cấu trúc lập thể này thì vòng đồng sản sinh ra độ từ thẩm âm và sợi đồng cho độ điện thẩm âm Từ góc khúc xạ của sóng, nhóm nghiên cứu San Diego tìm thấy trị số chiết suất của siêu vật liệu này là -2,7 [22]

Công trình thực nghiệm của nhóm San Diego khẳng định lý thuyết của

Veselago và đã biến giấc mơ Veselago thành hiện thực Cấu trúc lập thể với các kết quả thí nghiệm của nhóm San Diego là một bước nhảy vọt trong quang học và điện

từ học, một niềm hân hoan của phe "khẳng định" nhưng lại là một mối hoài nghi của phe "phủ định" Các nhà khoa học không dễ dàng chấp nhận những gì quá mới

đi ngược với cái trực cảm vốn có, hay những đột phá muốn chọc thủng quán tính của tư duy Hoài nghi là một đặc tính chung của các nhà khoa học và nó ám chỉ rằng dưới kết quả được phát hiện của một cuộc thí nghiệm vẫn còn nhiều việc phải làm và nhiều điều phải được lý giải nghiêm túc theo đúng các quy luật vật lý

Nhưng trước khi đám bụi mù của những cuộc tranh luận lắng đọng thì đã có rất nhiều đề xuất ứng dụng cho siêu vật liệu Vật liệu chiết suất âm đã mở ra hàng loạt những tiềm năng mới cho các dụng cụ quang học, điện từ, quang điện tử, sinh học

và sinh y học Đặc biệt, những thành công ở vùng sóng vi ba trở thành nền tảng cho việc chế tạo siêu vật liệu với bố trí cấp nano (nano-engineering) để triển khai tới các vùng sóng với bước sóng ngắn hơn như vùng hồng ngoại và ánh sáng thấy được - những vùng sóng cho con người nhiều ứng dụng hữu ích

Dựa theo ý tưởng của Veselago, chúng ta hãy xem siêu vật liệu có thể đóng góp nào để cải thiện một dụng cụ quang học đơn giản nhất: cái thấu kính

8 Siêu vật liệu và siêu thấu kính

Veselago thảo luận đường đi của ánh sáng qua một thấu kính giả tưởng có chiết suất âm mà bây giờ người ta gọi là "siêu thấu kính" (superlens) (Hình 12) Vào năm 2000, Pendry hồi sinh và triển khai lý thuyết Veselago qua 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 kính lý tưởng" trong bài viết của Pendry có nghĩa là siêu thấu kính Báo cáo này đã làm sôi nổi cộng đồng nghiên cứu quang học và điện

từ học Trong khi Veselago còn ngập ngừng ở giai đoạn lý thuyết và giả tưởng thì Pendry hùng hồn khẳng định và chứng minh rằng việc chế tạo vật liệu chiết suất

âm là khả thi và siêu thấu kính hiện hữu với những tiềm năng 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"? Thấu kính là một bộ phận trung tâm của các dụng cụ quang học từ cái máy ảnh bình thường, kính hiển vi quang học đến kính viễn vọng thiên văn Dù được chế tạo cực kỳ hoàn hảo, không chứa những khuyết tật gây ra trong quá trình sản xuất, thấu kính quang học vẫn không chohình ảnhrõ rệt của vật quan sát khi vật này có kích thước tương đương với bước sóng ánh sáng Nếu bước sóng của ánh sáng trắng là 550 nm (nanomét) (trung bình cộng của bước sóng ánh sáng tím 400 nm và ánh sáng đỏ 700 nm) thìhình ảnh của vật nhỏ hơn 550 nm (độ lớn của vi-rút) trong kính hiển vi quang học sẽ bị nhoè vì nhiễu xạ (diffraction) Tuy nhiên, siêu thấu kính làm từ vật liệu có chiết suất âm sẽ không bị ảnh hưởng của sự nhoè ảnh do nhiễu xạ Điều này cho thấy siêu thấu kính

sẽ cho con người một dụng cụ quang học để quan sát một vật có độ lớn nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng [24]

Khả năng "kỳ quái" của siêu thấu kính làm tan biến sự nhòe nhiễu xạ lập tức

có những đề nghị ứng dụng trong li-tô quang học (optical lithography) hay tạo ra những vi mạch đến cấp nanomét, sản xuất các loại đĩa quang học (DVD, CD) với lượng trữ dữ liệu vài trăm lần nhiều hơn và tiềm năng xử lý dữ liệu bằng ánh sáng trong máy vi tính hay dụng cụ điện tử Ngoài ra, kính hiển vi có một vai trò đặc biệt trong sinh học Việc quan sát vi-rút, phân tử sinh học như DNA, protein bằng kính hiển vi điện tử là một thường thức, nhưng tiếc thay tia điện tử mang năng lượng cao sẽ "giết" những phân tử sinh học này trong lúc quan sát Kính hiển vi quang học dùng ánh sáng qua siêu thấu kính sẽ cho ta thấy vật chất sinh học trong trạng

thái "sống" và đây sẽ là chiếc chìa khóa để giải mã những bí mật sinh học duy trì sự sống của mọi sinh linh ở tận cùng phân tử Ngày xuất hiện các sản phẩm này trên thương trường có lẽ còn xa, nhưng theo Pendry giấc mơ của Veselago dứt khoát đang trở thành hiện thực và một thập niên đã trôi qua cho thấy những thành quả đầy kinh ngạc trong lĩnh vực này