Từ hữuhình đếnvô hình - Phần 2 Sự tàng hình nay đã là hiện thực. Nhưng các nhà khoa học chưa hài lòng và vẫn đi tìm món chén thánh: một cái áo tàng hình che giấu những vật thể vĩ mô nhìn từ mọi góc độ bằng ánh sáng nhìn thấy không phân cực. Wenshan Cai và Vladimir Shalaev trình bày con đường phía trước trong cuộc truy tìm này. Vấn đề nan giải thứ ba Kể từ khi chiếcáo tàng hìnhđầu tiên ở tần số vi sóngđược David Schurig và các đồngnghiệp tại trường Đại học Dukecông bố,nhữngnỗ lực thật sự dồn vào việc đẩylùi dải hoạtđộng của áo tàng hình vào phần nhìn thấy của phổ điện từ. Việc nàykhông dễ dàng vì cơ sở quang họcbiến đổi tọa độ xác địnhrằngcần có ba tính chất vật liệu đặc biệtchomộtcái áo tànghìnhhoàn chỉnh, và nhữngtính chất này khómàđạt được; thật ra, người ta dễ chế tạo một dụngcụ có những tínhchất ngược lại hơn. Thứ nhất, chất liệu tạo nên áo tàng hìnhphải có tínhdị hướng, nghĩa là môi trường tác dụng khác nhau theo những hướng khác nhau. Thứ hai,nó phải không đồngnhất, tức là các thôngsố vậtliệucầnphải biến đổi theo không gian, mặc dù có một số ngoại lệ đối với quy tắc này. Thứ hai, chấtliệu đó phải có hoạt động từ tính, nghĩa là nócó thể phản ứngtrực tiếp với thànhphầntừ trường của ánh sáng. Đặc điểm cuối nàycực kì khó thu đượcở tần số quanghọc, huống hồ còn phải đạt tới sự điều khiển tinh vitại mọiđiểm vàmọi hướng. Mặcdù chiếc áo tàng hình vi sóngđầu tiên là mộtkiệt tác khắc phục một cách tao nhã cả ba trở ngại này, nhưng việc giảm cỡ thiết kế của nó cho những bướcsóng quang học là không khả thi mấy do nhữngkhó khăn trong chế tạo lẫn những ràng buộcvề chất liệu. Tuynhiên, vàonăm 2007, chúng tôi đã tính được rằng mộttrong những trở ngại trên – yêucầu chất liệu phải hoạtđộng từ tính –là có thể khắc phục nếu như lộ trình của ánh sáng không bị biến dạng không gian theo hướng từ trườngcủa nó. Hơn nữa, tấm thảmtàng hình mà JensenLi và John Pendrytại trường Imperial College Londonđề xuất vàonăm 2008gợi ý rằng mối quan ngại về tính dị hướng cũng có thể giảm nhẹ thật sự bằng cách sử dụngmột kĩ thuật biến đổi tọa độ gọi là“lập bản đồ hình thể”, như Ulf Leonhardt ở trườngĐại học St Andrews đề xuất vào năm 2006, buộc góc 90 o giữa những đườnglưới ảo trong không gianđược bảo toàn trongphép biến đổi tọa độ. Giờ chúng ta phải vượt qua chỉ một trở ngại còn lại nữa thôi:yêucầu về tính khôngđồngnhất, cái có vẻ ít đòi hỏi khắt khe nhất. Nguyênmẫu thiết kế của thảm tàng hình xácđịnhmộtsự phânbố đặc biệt của chiết suất(hình1b). Cái cần thiết phải làm thựcnghiệm là xây dựng một cấu trúc có chiếtsuất phụ thuộctọa độ như thế này. Mặcdù nhữngmôi trườngquangthôngdụng nhất là nhữngkhối vật liệu có giátrị chiết suất rõ ràng nhưng chúngta có thể chuyển sanglĩnh vựcmới cótên là siêuchấtliệu, trong đó việc tạo ramộtmôi trườngnhân tạo có chiết suất biến thiên theo khônggianlà một nhiệm vụ trọngtâm. Công việc này đòi hỏi thiếtkế và tích hợp những phần nhỏ của chất liệu, hay cáclỗ trống,có chiết suấtkhác với chiết suất củachấtliệu nền. Sự phân bố của những“nguyên tử” nhântạonày, chúng phải nhỏ hơnnhiều so với bước sóng đang xét, làm thayđổichiết suấtcục bộ của cấu trúc. Một trong những nguyên mẫu đầu tiên của thảm tàng hìnhở tần số quang học đã đượcchứng minh bởi nhóm của Xiang Zhangtạitrường Đại họcCalifornia, Berkeley,tại đó một đặctrưng chiết suất giốngnhư trong hình 1bđã đượcngười ta thu được bằng cách tạo ra nhữngkhoảng trốngcỡ nano bên trong mộtmiếng silicon cỡ micro (hình 2a). Người ta dùng một chùm ion hội tụ để khoannhững khoảng trốnghìnhtrụ, kích cỡ và khoảng cách của chúng thật sự nhỏ hơnbước sóng hoạt động vào khoảng 1,5mm,sao cho phản ứng quanghọc được xác định bởi sự phân bố của chiết suất tác dụng, chứ không phải sự nhiễu xạ hoặc giaothoa thường thấy ở những tinh thể quang lượng tử. Những minhchứng tươngtự đã được báocáo bởi các nhóm tại trường Đại học Cornell và Colorado, và tại Viện Công nghệ Georgia.Đáng chú ý hơn, một tấm thảm3Dhoạtđộng trong vùnghồngngoại gần đã được báo cáo bởi một nhóm đứng đầu là Martin Wegener tại Viện Côngnghệ Karlsruhe, Đức (hình 2b).Dụng cụ polymernày làm cho một chỗ nhôlên trên một bề mặt kim loại trông như phẳng, và sau đó làm cho những thứ giấubêntrong chỗ nhô lênđó trở nên vô hình đối với nhà quansát bên ngoài ngaycả khi được chiếu sáng với ánh sángchưa phâncực. Tất cả những dụngcụ này hoạt độngtrong một ngưỡng rộng hợp lí của bước sóng do sự tán sắc, cái xácđịnhmức độ nhạy của những tính chấtvật liệu với tần số ánh sáng,khôngphải là mối quanngại lớnkhi toàn bộ cấu trúc đượcchế tạo từ những thành phần điệnmôi, trong đó sự tán sắc luôn rất yếu. Hình 2. Thảm tàng hình cho vùng hồng ngoại gần. (a) Một tấm thảm tàng hình toàn điện môi đối với các sóng mang quang học trong một miếng silicon. Dụng cụ trên, có những khoảng trống khoan vào trong nó theo một phân bố làm thay đổi chiết suất cục bộ, được thiết kế và chế tạo bởi nhóm của Xiang Zhang tại trường Đại học California, Berkeley. (b) Một tấm thảm tàng hình 3D do đội của Martin Wegener tại Viện Công nghệ Karlsruhe, Đức, chứng minh. Những chi tiết tinh vi của cấu trúc 3D trên được khắc thành một ma trận polymer bằng kĩ thuật ghi laser trực tiếp. Bài toán nhức đầu Những nỗ lực này tiêu biểu cho những bước tiến vữngchắchướng đến sự hiện thực hóamộtáo tàng hình lí tưởng. Nhưng chúng đã đủ chưa?Có lẽ làchưa, vì ít nhấthai nguyên do.Thứ nhất, kích cỡ của nhữngvật thể có thể che giấu bên dướimộttấm thảm ma thuật như vậy là nhỏ hơncáichúngta có thể thấy. Thể tích của chỗ nhô lên trongtất cả những minhchứng này đều khônghơn hàngchục micronkhối, và việc đạt tới nhữngthể tích lớnhơn dường như là không khả thi vì các phương pháp vi chế tạo quá phứctạp. Thứ hai, những áo tàng hình này hoạt độngtrong một ngưỡngbước sóngnằm ngoài phổ nhìn thấy. Một tấm thảm tàng hình đối với vùngphổ nhìn thấy sẽ đòihỏi một chất liệu khác ngoài silicon,chất hấp thụ mạnh mọi photon nhìn thấyvì nhữngphoton này có năng lượnglớn hơn khe năng lượng của silicon. Quantrọnghơn, việc chế tạo những cấu trúc tương tự như trong hình2 đối với ánhsángnhìn thấy trở nên khắtkhehơn vì, để cho phươngpháp môi trườngtác dụng chiếm ưu thế,các chi tiết tinhvi trong cấutrúc đó phải nhỏ hơn nhiều sovới bước sóngcủa ánh sáng nhìnthấy. Những tháchthức dễ nản lòngnày đã thúc đẩy cácnhà nghiêncứuhình thành nên những lựa chọn khác chonhững hiện tượngkiểu tàng hình đối với ánh sáng nhìn thấy.Thí dụ, một đội đứng đầu là IgorSmolyaninovtạitrườngĐại học Marylandđã quan sát tínhnhìn thấy giảm đi đối với một sóng ánh sáng đặcbiệt phản xạ lên một bề mặt kim loại, hay “plasmonmặt”, cũng như lộ trìnhánhsáng trong bộ dẫn sóng hình nón hìnhthành bởihaimàng kim loại có khả năng biến thiên dần. Công trình vừa nêu được thực hiện vớisự hợp tác của đội Đại học Purdue, mà đứngđầu là một trong haichúngtôi (VS).Tuynhiên, nhữngý tưởng thông minh này đã lệch ra khỏi phiên bản mơ ước của áo tàng hình quang học. Như chúngtôi đã đề cập ở phần trước,trong khi dạng dễ chế tạo nhất của áo tàng hình quang học là đồngnhất, đẳng hướng và phi từ tính, thì chấtlượngcần thiết chomộtáo tàng hìnhlítưởng – như xác định bởi quang họcbiến đổi tọa độ - là cái ngược lạivàkhó chế tạo: một chấtliệu không đồng nhất, dị hướng vàhoạt độngtừ tính. Rõràng là mộtkhối chất điện môi đồngđều,nó là đồng nhất, đẳng hướngvà phitừ tính, có ít chuyện để làmđối với sự tàng hình. Nhưng đây lànhữngcách thông minh để vượt qua mộthoặchaitrong ba yêu cầu trên, và khôngphải mỗi tínhchất đềucần thiết để tạo ramộtáo tàng hình hoàn chỉnh.Yêucầunày được thựchiện bằng cách biến đổi nhữngchất liệu điện môi để có nhữngcấu trúcthiếtkế khéoléo.Thídụ, toàn bộ những tấm thảm tàng hình đã báo cáo ở bước sónghồng ngoại, trong đó có haiphiên bản đẹp đẽ trình bày trên hình 2, đều là đẳng hướng và phi từ tính, và mục tiêu duynhất trongviệchiện thực hóa làthỏa mãn tínhkhông đồng nhất theoyêu cầu. Tuy nhiên, vấn đề là vậtliệu càng cóíttính chất thì cấu trúc phải càng phức tạpvà tínhtoán tỉ mĩ. Ngoài ra, việc bổ sung cáctínhchấtbằngcách thao táclêncấu trúclàm tổn hại đến sự tàng hình: những dụng cụ thuđượcbiểu hiện sự tán xạ khác không (nói đại khái là chúngít nhiều cóthể nhìn thấy) và chúngchỉ hoạt động đốivới ánh sángcó một hướng chiếusáng và hướng phân cựcnhất định. Nhưng còn có những lựa chọn nào khác nữa hay không? Xétthách thức mênh mông củaviệc đạt tới một phản ứng từ tínhcó thể điều khiểncho sóng ánh sáng,chúngta buộc phải chuyển sang sự lựa chọn dễ hơn của việc biến đổi nhân tạo hoặc là tínhđồng nhất, hoặc làtính đẳng hướng. Từ quanđiểm vi chế tạo, xử lí tính khôngđồng nhất,thường thu được bằng cách kết hợp haichất liệu với tỉ lệ phần trăm bắt buộc, dườngnhư dễ làm hơn làxử lí tínhdị hướngvì tính dị hướng thường phụ thuộcvào những hạtcóhìnhdạngsắp xếp theomột kiểu có trật tự. (Hãy nghĩ trộn chung gạo với đậu dễ như thế nào, nhưngsẽ khó biết bao nhiêu nếu muốn xếp từng hạt gạomộttheomộthướng đặc biệt nào đó) . Từ hữuhình đếnvô hình - Phần 2 Sự tàng hình nay đã là hiện thực. Nhưng các nhà khoa học chưa hài lòng và vẫn đi tìm món chén thánh: một cái áo tàng hình che giấu những vật thể vĩ mô nhìn từ. toàn bộ cấu trúc đượcchế tạo từ những thành phần điệnmôi, trong đó sự tán sắc luôn rất yếu. Hình 2. Thảm tàng hình cho vùng hồng ngoại gần. (a) Một tấm thảm tàng hình toàn điện môi đối với các. tàng hình quang học. Như chúngtôi đã đề cập ở phần trước,trong khi dạng dễ chế tạo nhất của áo tàng hình quang học là đồngnhất, đẳng hướng và phi từ tính, thì chấtlượngcần thiết chomộtáo tàng hìnhlítưởng