Ý nghĩa vật lý tượng tàng hình Siêu vật liệu hiệu ứng tàng hình Vào mùa thu năm 1943 lúc chiến thứ vào thời kỳ liệt, nhiên nguồn tin bắn từ phe Đồng Minh cho hải quân Mỹ thành công việc chế tạo loại tàu chiến tàng hình nhìn mắt thường lẫn hệ thống radar Nguồn tin cho chiến hạm USS Eldridge dùng làm thí nghiệm Project Rainbow (Kế hoạch Cầu vồng) nhằm triển khai kỹ thuật tàng hình dùng trường điện từ để bẻ cong khơng gian thời gian Thậm chí có số "nhân chứng" cho họ thấy chiến hạm tàng hình phút đồng hồ liền đường di chuyển từ Philadelphia đến Norfolk! Ngày hôm nay, người ta thừa hiểu vận động chiến tranh tâm lý để làm lung lạc ý chí chiến đấu phe Đức quốc xã Đó lời đồn đại, việc chế tạo vật liệu tàng hình trước mắt thịt trần tục "mắt thần" radar, tưởng chừng hữu tiểu thuyết viễn tưởng hay chiến tranh tâm lý, không ngờ vật liệu lý tưởng nằm tầm tay nhà khoa học Hiệu ứng tàng hình siêu vật liệu có lẽ giống câu chuyện phim kinh dị Nhật Bản mang tựa đề "Kaidan" (Quái đàm) "Những chuyện ma quái " Chuyện kể có người mù đàn tỳ bà cực hay tiếng khắp vùng tên Hoichi sống chùa Trong đêm khuya, samurai (võ sĩ) đến chùa mời Hoichi đến doanh trại vị Tướng Quân (Shogun) đánh đàn Vị hòa thượng chùa biết hồn ma tử trận trận đánh vài trăm năm trước đến quấy phá Hoichi Doanh trại Tướng Quân thật bãi tha ma gần chùa chơn tử sĩ samurai Ơng dùng bút lông vẽ bùa lên người Hoichi làm cho Hoichi "tàng hình" trước hồn ma Đêm sau, hồn ma samurai trở lại tìm Hoichi để đánh tiếp trường ca cho vị Tướng Quân nghe Nhưng hồn ma không thấy Hoichi mà thấy tai người lơ lửng qua lại khơng trung Tìm không Hoichi, hồn ma giận tuốt gươm cắt đứt tai Cái tai rớt xuống đất, máu tuôn xối xả Hóa ra, tai tai Hoichi mà vị hịa thượng bỏ sót qn vẽ bùa ngày hơm trước Những dịng chữ ngoằn ngoèo bùa câu chuyện ma quái Nhật Bản, chuyện hình, tàng hình cổ tích thần thoại, áo choàng Harry Potter "người vơ hình" tiểu thuyết H G Wells phản ánh khát vọng sở hữu khả biến hóa thần thơng người Những sản phẩm tàng hình viễn tưởng có tác dụng ngược, trở thành nỗi ám ảnh thường trực, mục tiêu nhắm đến nhà khoa học Liệu giới hạn cho phép quy luật vật lý, có vật liệu phủ lên làm cho ta hoàn toàn đến khơng thấy bóng hình, khơng để lại dấu chân, cho người phương tiện làm thỏa mãn giấc mơ ngàn đời? Theo thành nghiên cứu 10 năm qua, siêu vật liệu có câu trả lời khẳng định Cũng giống vật liệu hấp thụ radar, tác động sóng điện từ hiệu ứng tàng hình cho thấy việc thiết kế siêu vật liệu phải đặt trọng tâm vào điện tính (được diễn tả độ điện thẩm) từ tính (được diễn tả độ từ thẩm) Lý thuyết hiệu ứng tàng hình siêu vật liệu nhen nhúm qua liên hệ tư vấn Pendry công ty Marconi Materials Technology Từ siêu thấu kính có chiết suất âm "vùng trời tự do" cho phép thiết kế siêu vật liệu có độ từ thẩm điện thẩm trị số, Pendry tung tuyệt chiêu khác Năm 2006, ông cộng thảo luận khả liên quan đến hiệu ứng tàng hình có phương pháp nào, mặt lý thuyết, người ta uốn nắn theo ý muốn đường sóng điện từ khơng gian đặc biệt Khơng gian đặc biệt thực siêu vật liệu Pendry cộng xuất phát từ ý tưởng đơn giản chứng minh uốn cong trường điện từ thực phương pháp chuyển đổi tọa độ (coordinate transformation) [25-26] Nghĩa là, theo quan điểm tốn học nơi đường sóng bị uốn cong tọa độ bị chuyển hướng, hệ tọa độ họ suy diễn trị số độ từ thẩm độ điện thẩm cho phương trình sóng Maxwell thỏa mãn Như thế, Pendry sáng tạo phương pháp gọi "quang học chuyển đổi" (transformation optics) Phương pháp giúp ta tìm trị số độ từ thẩm độ điện thẩm thích ứng, hay nói khác trị số chiết suất cần thiết để dẫn dụ uốn cong đường sóng điện từ môi trường siêu vật liệu Kết Pendry cộng cho thấy siêu vật liệu phủ (cloak) lên vật, sóng điện từ (hay ánh sáng) thay theo đường thẳng đâm sầm vào mục tiêu gây phản xạ, nhiễu xạ ta thường biết bị uốn cong lớp phủ, vòng theo ngoại vi vật phủ, giống giòng nước nhẹ nhàng chảy vịng quanh khối đá nhơ lên dịng suối (Hình 13) [25] Một siêu vật liệu chế ngự đường sóng điện từ thực chất "đánh lừa" luồng sóng để phải vịng mục tiêu khơng có luồng sóng bị phản xạ trở lại người quan sát Mục tiêu mà người ta muốn soi mói nhìn vào, bị tàng hình hồn tồn "trong suốt" Hình 13: Đường sóng điện từ siêu vật liệu: (A) Biểu hai chiều, vật bị phủ cầu trịn có bán kính R1, lớp phủ có bề dày (R2-R1) (B) Biểu ba chiều Lý thuyết "quang học chuyển đổi" Pendry cộng lý thuyết sng khơng có cộng tác tiến sĩ David Smith; nhà thực nghiệm tài ba Duke University (Mỹ) thành viên nhóm nghiên cứu San Diego Thực theo lý thuyết Pendry dựa theo kinh nghiệm chế tạo vật liệu chiết suất âm trước [20], cặp trùng Pendry-Smith với nghiên cứu sinh chế tạo siêu vật liệu mà đơn vị cấu trúc vòng hở cộng hưởng kim loại đồng với kích thước biến đổi vị trí khác để chiết suất biến đổi theo yêu cầu hiệu ứng tàng hình [27] Với siêu vật liệu này, họ chứng tỏ thực nghiệm luồng vi ba "ngoan cố" bị uốn bắt buộc phải vòng quanh bề mặt (một vật hai thứ nguyên) không bị phản xạ; thực chất vật tàng hình sóng vi ba Nhìn lại, siêu vật liệu thật "siêu" Khi vật chất đồng nước, khơng khí, thủy tinh có trị số chiết suất định, siêu vật liệu khơng có chiết suất âm mà tập hợp mảnh khảm (mosaic) quang học đẹp tuyệt vời mang trị số chiết suất khác theo định người Khả dùng siêu vật liệu phủ lên vật khiến vật tàng hình sóng vi ba lần chứng minh thí nghiệm Bài viết vỏn vẹn ba trang giấy nhóm Pendry-Smith tạp chí Science [27] thực làm chấn động cộng đồng nghiên cứu quang học điện từ học giới nghiên cứu khoa học quân Như đề cập phần trên, tương tác với sóng điện từ địi hỏi kích cỡ đơn vị cấu trúc siêu vật liệu phải nhỏ bước sóng sử dụng Bước sóng sóng vi ba radar (tần số GHz) có kích thước milimét đến centimét nên việc chế tạo đơn vị siêu vật liệu có phần dễ dàng Bước sóng ánh sáng thấy vùng nanomét (nm), trải dài từ 380 nm (ánh sáng tím) đến 700 nm (ánh sáng đỏ) Nếu muốn hiệu ứng tàng hình xảy vùng ánh sáng thấy chồng Harry Potter ta cần thiết kế đơn vị cấp nanomét Điều đòi hỏi kỹ chế tạo vật chất, phận hay cấu trúc xác cấp nanomét thử thách to lớn nhà nghiên cứu nano Hình 14: Thứ tự từ trái sang phải Hình trái: vật trịn nhìn thấy Hình giữa: vật trịn phủ kín siêu vật liệu Hình phải: Vật trịn tàng hình nhờ lớp phủ (Credit: Thomas Zentgraf) Nhóm Zhang cịn có tham vọng triển khai siêu vật liệu cho sóng âm (acoustic wave) Hãy tưởng tượng ngày siêu vật liệu âm phủ lên tàu ngầm, luồng sóng âm phát từ sonar [32] đối phương trượt lên thân tàu mà không bị phản hồi Sóng mà khơng trở lại; sonar trở nên vô hiệu Các đề án tiến triển nghiên cứu lĩnh vực nhóm Zhang khiến chiến lược gia chuyên gia tàu ngầm Mỹ không dấu niềm hân hoan lẫn cảm phục Nghe đâu, DARPA chi đẹp, sẵn sàng vung tay cung cấp vài trăm triệu đô la cho đề án nhóm Pendry, nhóm Smith nhóm Zhang, chưa kể nhiều kinh phí linh tinh khác viện trợ trọn gói quốc tế từ Bộ Khoa học Trung Quốc Bằng phương pháp cải biến đơn vị cấu trúc thích hợp cho sóng điện từ tần số, hiệu ứng tàng hình siêu vật liệu thí nghiệm chứng minh khả thi vùng sóng vi ba đến vùng lân cận ánh sáng thấy "Quang học chuyển hướng" khởi động đợt sóng thần, liệu thực nghiệm xuất ạt đê vỡ Cứ theo đà phát triển áo chồng tàng hình tương lai nhà khoa học siêu việt choàng Harry Potter Người mặc có phép thần "hơ biến" vùng sóng rộng lớn từ vi ba đến vùng ánh sáng thấy được! Giả dụ có người mặc áo choàng phủ lớp siêu vật liệu tàng hình anh khơng thấy cảnh vật xung quanh ánh sáng khơng thể xun qua áo Trước mắt màu đen Như vậy, phải khoét lỗ áo choàng chừa cặp mắt để nhìn thấy xung quanh Anh ta tàng hình trừ cặp mắt lơ lửng không gian qua lại lỗ tai Hoichi! Đã có người lo ngại nên để kỹ thuật lọt vào tay tên đạo chích hay tệ hại thành phần khủng bố cực đoan Tuy nhiên, vội lạc quan việc chế tạo áo choàng tuyệt vời áo Harry Potter cần thời gian dài tương lai xa chưa thể dự liệu Và thí nghiệm tàng hình siêu vật liệu, vật bị tàng hình có kích thước nhỏ cấp micromét (1/1.000 mm) Để làm người tàng hình, triệu lần to hơn, hay máy bay, tỷ lần to hơn, chắn nhiều gian nan 10 Và… ý kiến đối nghịch Trong lịch sử khoa học xuất lý thuyết đột phá thường gây tranh cãi kéo dài hàng chục năm kỷ chân lý chấp nhận Thuyết lượng tử thuyết tương đối thí dụ điển hình Siêu vật liệu khơng ngoại lệ Trong mục đích tìm chân lý, hồi nghi, tranh luận, biện luận, phê bình, tự phê bình tư cần thiết nhà khoa học mặt lành mạnh bất khả phân nghiên cứu khoa học Việc chế ngự uốn nắn đường sóng điện từ siêu vật liệu cho thấy tượng kỳ lạ gây nhiều tranh luận thú vị chí gay gắt hội thảo khoa học phe "khẳng định" phe "phủ định" Liệu liệu thực nghiệm siêu vật liệu có phải dạo khúc cho việc sửa đổi lại lý thuyết kinh điển cải biên tất thư tịch liên quan đến quang học điện từ học, hay chúng hội chứng "công bố chết tiệt" (publish or perish) với mục đích kiếm tiền kinh phí nghiên cứu khoa học gia? Giáo sư Ben Munk (Ohio State University, Mỹ), lão làng nghiên cứu điện từ chuyên gia tàng hình học, người triệt để phản đối vật liệu có chiết suất âm Ơng khơng tin hữu vật liệu có độ từ thẩm độ điện thẩm đồng thời âm Những phản biện ơng viết thành sách có nhan đề "Metamaterials: Critique and Alternatives" (Siêu vật liệu: Phê phán Cách nhìn khác) [33] Munk truy nguyên báo cáo Veselago [17] cho lý thuyết Veselago phương diện toán học khiếm khuyết (deficiency) phương diện vật lý lý luận Veselago hàm chứa biến số thời gian có trị số âm Nếu có chiết suất âm thời gian âm Ơng hóm hỉnh bảo ơng hưu thời gian có âm ơng muốn xin khoảnh thời gian để diễm phúc "cải lão hồn đồng" ngược dịng thời gian tìm lại chút xuân xanh! Theo ông, giấc mơ Veselago giấc mơ, gian siêu thấu kính chiết suất âm Đương nhiên, ơng cơng kích lý luận đề nghị Pendry, hệ luận Veselago, cách thiết kế vật liệu chiết suất âm mà nhóm San Diego thực [22] Cái mà nhóm San Diego gọi sóng khúc xạ từ tính trị số chiết suất -2,7 cho cấu trúc mang vòng hở cộng hưởng đường thẳng (Hình11) chẳng qua nhầm lẫn Theo Munk, sóng khơng phải sóng khúc xạ mà xạ sóng bề mặt (surface wave), đặc trưng cấu trúc có trình tự xếp định bao gồm cấu trúc nhóm San Diego Cho đến (2010) người viết khơng tìm thấy phản biện từ phe "khẳng định", từ chuyên gia đầu ngành Pendry hay Smith, phê bình Munk liệu thực nghiệm siêu thấu kính hiệu ứng tàng hình siêu vật liệu ạt dòng thác liên tục xuất tạp chí khoa học Tiếng nói Munk có phần đơn độc ơng muốn trì chất lượng cho khoa học thống (good science), phá tan tâm lý bầy đàn hùa chạy hướng gióng lên tiếng chng cảnh báo đến quan cung cấp kinh phí nghiên cứu "chân" "giả" tượng khoa học Dù hay sai, Munk "mãnh hổ", hay "lão hổ" mang tâm hồn trực, khơng ngớt tiếng gầm dịng thác lũ 11 Tàng hình: nhân tố "bách chiến bách thắng"? Năm 1999 chiến trường Kosovo (Yugoslavia cũ), "Chim ưng đêm" F-117 bị tên lửa SAM tuyến phịng khơng qn đội Yugoslavia bắn hạ Bộ tư lệnh khơng lực Mỹ chẳng màng đến việc giải thích chi tiết vụ việc, dù máy bay công nghệ "cũ kỹ" thập niên 1970, cần chi phải nói nhiều! Nhưng kiện gót chân A-sin (Achilles' heel) máy bay tàng hình mà phủ Mỹ đầu tư hàng trăm tỉ đô la F-117 hay B-2 đại toàn thể chiến hạm tàng hình cường quốc Mỹ, Nga, Anh, Pháp, Thụy Điển khơng phải hồn tồn vơ hình trước radar Ở đây, cần trở lại tảng quy luật vật lý xoay quanh phương trình sóng Maxwell Trong tồn thể viết này, thảo luận sóng radar vùng vi ba có tần số cấp gigahertz (GHz) tương ứng với bước sóng phạm vi milimét centimét Hình dáng bề mặt phân tán sóng radar vật liệu hấp thụ radar thiết kế chế tạo để đối ứng với sóng vi ba Nhờ F-117, B-2 bay lả lướt, chiến hạm tàng hình nhởn nhơ lướt sóng vùng vi ba vào chỗ không người mà không sợ bị phát Nhưng, hệ thống radar phát sóng băng tần megahertz (MHz) với bước sóng tương ứng đơn vị mét, tình hình hồn tồn đổi khác Trong cơng thức tốn học diễn tả độ phản xạ cuả sóng, tần số (hay bước sóng) lúc biến số định (Phụ lục a) Quy luật vật lý lúc muốn vây chặt ước muốn người; tàng hình vi ba tiếc thay hình sóng megahertz Nói cách định lượng, tiết diện radar vùng vi ba gia tăng 10 – 100 lần sóng megahertz [34] Loại sóng khơng phải sóng xa lạ sinh hoạt ngày Đó sóng radio, tivi mang đến thoải mái đến cho qua hình nhỏ gia đình hay điệu nhạc êm dịu từ bên bờ đại dương Khi sóng radio sử dụng radar, ta giám sát (surveillance) di động vật thể cách xa hàng ngàn dặm Tuy nhiên khác với vi ba, sóng radio khơng có khả định vị (locating) xác khoảng cách người quan sát mục tiêu Và nguyên nhân vi ba loại sóng thơng dụng ứng dụng dân lẫn quốc phòng cho việc giám sát định vị lúc Mặt khác, ta nhìn lại cơng thức độ phản xạ vật liệu hấp thụ radar, độ điện thẩm độ từ thẩm, bề dày lớp phủ biến số định độ phản xạ (Phụ lục a) Độ phản xạ thấp bề dày lớp phủ 1/4 bước sóng [7] Trong vùng vi ba, ta cần lớp phủ vài milimét Trong vùng megahertz, bước sóng dài vài mươi đến vài trăm mét việc tạo lớp phủ có bề dày 1/4 bước sóng vài mươi mét việc không tưởng điên rồ! Như vậy, ý nghĩa tuyệt đối tàng hình chưa nhân tố "bách chiến bách thắng"vì tùy thuộc vào nhiều điều kiện hồn tồn bị gị ép quy luật vật lý Thiết kế máy bay, tàu chiến tàng hình khơng phải tồn bích Đâu kẽ hở bị lộ diện tai tiểu Hoichi câu chuyện "Quái Đàm" mà radar hay cảm ứng tầm xa đối phương dễ dàng phát Những phương pháp hay vật liệu làm mờ mắt radar tạo bứt phá kỹ thuật kéo dài nhiều vài năm Công nghệ cảm ứng (sensing technology) lúc tạo cảm ứng (sensors) tinh vi, nhạy cảm tận dụng vùng sóng điện từ chưa sử dụng vùng terahertz (THz) nằm vùng vi ba hồng ngoại hay vùng tử ngoại (ultraviolet) Trong đó, nghiên cứu siêu vật liệu trứng nước ứng dụng thực tiễn có lẽ cịn xa vời 12 Lời kết Những điều trình bày viết dựa báo cáo tư liệu công khai Nhưng phần tảng băng ngầm; cánh cửa sổ nhỏ mở cho ta hội đưa mắt khe khẽ nhìn vào kho báu mật Con người thích đấu trí chinh phục Radar tạo điều kiện cho phát triển kỹ thuật tàng hình, sau lại có kỹ thuật phản tàng hình Một chiêu thức tung khơng sớm muộn bị hóa giải chiêu thức cao hơn, lại bị khống chế chiêu thức khác cao Nghe truyện kiếm hiệp Kim Dung, thật Con người phát sóng truy lùng mục tiêu, người chế ngự đường sóng, chí dặp tắt Cái tuyệt vời tất thao tác tn thủ theo phương trình Maxwell, q vô Maxwell cống hiến cho nhân loại Dù cho sóng có nhảy nhót sao, dù người có uốn nắn đường sóng theo giai điệu nào, phương trình Maxwell chuẩn mực bao trùm hành trạng thao tác sóng điện từ May thay, khơng phải cơng thức tốn học đầy ký hiệu khó hiểu, dày đặc số thách thức tư lồi người Nó đơn giản không ngờ Những công thức dẫn xuất sau này, đứa phương trình Maxwell, định lượng độ phản xạ sóng hay tiên đốn đặc tính điện từ, chiết suất siêu vật liệu biểu toán học đơn giản Rõ ràng, đấu trí "tàng hình" "phản tàng hình", lý thuyết phức tạp mà phương thức chế tạo (fabrication) vật liệu, dù vật liệu thiên nhiên hay siêu vật liệu, với kết hợp đa ngành yếu tố định phát triển kỹ thuật tàng hình lơi kéo theo ngành công nghệ liên quan, lúc trạng thái động vươn tới bước vạn dặm Trương Văn Tân Tháng năm, 2010 Phụ lục a Công thức định lượng độ phản xạ sóng điện từ Ta có lớp phủ có bề dày, d, phủ lên bề mặt kim loại Sóng điện từ di chuyển khơng khí (free space) tác dụng lên bề mặt lớp phủ Sự tương tác gây tổng trở tới (incident impedance), Zin, bề mặt tiếp giáp khơng khí lớp phủ Zin = Zo(µ/ε)1/2 tanh(γd) (1.1) Zo tổng trở khơng khí (= 377 Ω), µ độ từ thẩm lớp phủ, ε độ điện thẩm lớp phủ γ là, γ = j(2πf/c)(με)1/2 (1.2) f tần số, c vận tốc sóng điện từ (và ánh sáng) chân không (khoảng 300.000 km/s) j số ảo j = (-1) 1/2 Độ phản xạ (reflectivity), Γ , sóng điện từ từ bề mặt lớp phủ biểu công thức sau, Γ = (Zin - Zo)/(Zin + Zo) (1.3) Γ số phức Thông thường, độ phản xạ Re (đơn vị decibel = dB) dạng log Γ sử dụng, Re = 20 log10|Γ| (1.4) |Γ| = trị số tuyệt đối Γ Như vậy, 90% sóng bị hấp thụ, Re = -20 dB; 99% bị hấp thụ, Re = -40 dB, 99.9% bị hấp thụ Re = -60 dB b Cấu trúc hấp thụ radar biết ứng biến Trong viết quan trọng có tựa đề "Adaptive radar absorbing structure with PIN diode controlled active frequency selective surface" (Cấu trúc hấp thụ radar biết ứng biến có bề mặt chủ động chọn lọc tần số chế ngự PIN diode) (A Tennant and B Chambers, Smart Mater Struct 13(2004) 122), tác giả tạo mơ hình điện học tổng trở Zs lớp phủ biến số tổng trở tới Zin (xem công thức 1.1, Phụ lục 1) Zs chứa ba yếu tố điện trở R, điện dung C điện cảm L, biểu công thức sau, Zs = R + jωL + 1/jωC (2.1) ω = tần số góc, số ảo j = (-1)1/2 Thay đổi yếu tố R, C L cho kết tối ưu với độ hấp thụ băng tần rộng Tác giả sử dụng PIN diode thương mại có ba yếu tố để chế tạo cấu trúc hấp thụ radar mỏng hấp thụ sóng radar băng tần rộng lớp phủ vật liệu có c Chiết suất định luật Snell Sự liên hệ quang học điện từ học diễn tả công thức đơn giản gọi quan hệ Maxwell, n2 = εμ (3.1) n chiết suất vật chất, ε độ điện thẩm µ độ từ thẩm vật chất Từ cơng thức 3.1 ta có, n = ±(εμ)1/2 (3.2) Nếu ε µ dương ta có, n = (εμ)1/2 (3.3) Nếu ε µ âm ta có, n = -(εμ)1/2 (3.4) Theo định luật Snell, khúc xạ tia sáng tuân theo công thức, n2sin θ2 = n1sin θ1 (3.5) n1, n2: chiết suất mơi trường 2, θ1: góc tới mơi trường θ2: góc khúc xạ mơi trường Chiết suất tương đối khơng khí nước 1,33 Một tia sáng tới khơng khí chạm mặt nước góc tới 60° góc khúc xạ θ2 là, sin θ2 = (1/1,33)sin 60° θ2 = 41° Nếu mơi trường có chiết suất âm, -1,33, θ2 (xem Hình 10a) θ2 = -41° ... thách to lớn nhà nghiên cứu nano Hình 14: Thứ tự từ trái sang phải Hình trái: vật trịn nhìn thấy Hình giữa: vật trịn phủ kín siêu vật liệu Hình phải: Vật trịn tàng hình nhờ lớp phủ (Credit: Thomas... siêu vật liệu biểu toán học đơn giản Rõ ràng, đấu trí "tàng hình" "phản tàng hình" , khơng phải lý thuyết phức tạp mà phương thức chế tạo (fabrication) vật liệu, dù vật liệu thiên nhiên hay siêu vật. .. điên rồ! Như vậy, ý nghĩa tuyệt đối tàng hình chưa nhân tố "bách chiến bách thắng"vì tùy thuộc vào nhiều điều kiện hồn tồn bị gị ép quy luật vật lý Thiết kế máy bay, tàu chiến tàng hình khơng phải