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. . Ý nghĩa vật l của 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. 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. 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