Từ hữu hình đến vô hình - Phần 1

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.

Khi chiếc áo tàng hình đầu tiên được tạo ra tại trường Đại học Duke hồi năm 2006, chúng tôi đã hăm hở kể với bạn bè, sinh viên, và cả học sinh trung tiểu học mọi thứ về nó. Rốt cuộc đây chẳng là một trong những giấc mơ tối hậu của thời thơ ấu thân thương trong mỗi con người chúng ta – chất liệu dệt nên những câu chuyện kể và thần thoại mang đến cuộc sống và sự thành công rực rỡ của khoa học hiện đại đấy hay sao? Cái hữu hình nhất đã trình làng trước những vị khán giá đang trông ngóng là ảnh của một dụng cụ hình tròn. Nhưng chúng ta vướng phải một số cái khó hiểu. Về sự phản xạ lộn xộn là có thể hiểu được, nhưng bên cạnh đó vẫn có những nhược điểm.

Các nhà khoa học chúng tôi cảm thấy hài lòng và hào hứng khi nhìn thấy sự tán xạ triệt tiêu của một sóng điện từ 9 GHz. Nhưng đối với đông đảo mọi người, từ “vi sóng” chẳng gì hơn là một dụng cụ nhà bếp dùng để hâm nóng thức ăn thừa của ngày hôm trước, và việc có phát hiện hay không phát hiện một loại sóng không thể cảm nhận như vậy dường như không có gì quan trọng cả. Dẫu sao thì từ tàng hình vốn được suy luận ra từ sự nhìn, theo nghĩa đen đúng là có liên quan đến cái nhìn bằng mắt. Đặc biệt, chúng ta tự nhiên hạn chế sự quan tâm của mình với cảm giác nhìn mà mắt người cảm nhận. Mặc dù nhiều loài ong có thể nhìn thấy tia tử ngoại và một số loài rắn có thể cảm nhận tia hồng ngoại, nhưng mắt trần của chúng ta có thể nhìn thấy bức xạ chỉ trong một vùng rất hạn chế của phổ điện từ, với đầu tím của nó ở bước sóng khoảng 380 nm và đầu đỏ kết thúc ở bước sóng ngắn hơn 780 nm.

Vì thế, mục tiêu dễ thấy của nghiên cứu tàng hình là làm cho những vật hàng ngày biến mất trước cái nhìn chất phác. Điều này có nghĩa là hiệu năng của áo tàng hình không nên nhạy với ánh sáng trắng, góc quan sát và nguồn chiếu sáng. Và vì ánh sáng có thể biểu hiện một ngưỡng trạng thái phân cực khác nhau, được xác định bởi hướng dao động của điện trường của nó, cho nên một cái áo tàng hình tốt cũng nên độc lập với tính chất này. Chúng ta còn có xu hướng hi vọng rằng áo tàng hình có thể che đậy những vật thể vĩ mô lớn hơn 0,1 mm; những vật thể nhỏ hơn kích cỡ này là không thể nhìn thấy đối với mắt trần và việc làm cho chúng không thể quan sát thấy trước những thiết bị đặc biệt có lẽ chỉ là niềm đam mê công nghệ. Vậy thì cho đến nay chúng ta đã đạt được những tiến bộ gì hướng tới món chén thánh này và chúng ta phải đối mặt trước những thử thách gì trước khi chúng ta hiện thực hóa một cái áo tàng hình lí tưởng?

Cơ sở bẻ cong ánh sáng

Có một khuynh hướng đang lớn dần sử dụng từ “tàng hình” một cách lạm dụng, vì thế trước hết chúng ta hãy làm sáng tỏ bản chất thiết yếu của một dụng cụ tàng hình, và nó khác như thế nào với những kiểu làm cho vô hình khác. Nếu chúng ta định nghĩa tàng hình là trạng thái mà một vật ở trong đó thì cái nhìn chân phương của một người quan sát sẽ không trông thấy, thì có rất nhiều phương pháp đã được tự nhiên hoặc những kĩ sư thông minh thông qua từ lâu trước làn sóng nghiên cứu trong thời gian gần đây dựa trên phép biến đổi không gian của hệ phương trình Maxwell. Thí dụ, nhiều loài động vật có thể tự ngụy trang, vì màu sắc hoặc hoa văn trên bề mặt của chúng khiến chúng không khác gì với môi trường xung quanh chúng. Một cách khác làm cho một vật không thể bị phát hiện ra là chặn thông tin truyền ra từ vật đi tới máy thu – một phương pháp đã được khai thác rộng rãi cho những kĩ thuật do thám đa dạng dùng cho máy bay quân sự. Kĩ thuật này thường được triển khai bằng cách sử dụng các bề mặt hấp thụ với hình dạng và chất liệu đặc biệt, tất cả đều được dự liệu để làm giảm tiết diện của vật trước các nguồn radar. Tuy nhiên, phiên bản tối hậu của sự tàng hình là làm cho một vật không phản xạ ánh sáng và không hấp thụ năng lượng. Nghĩa là vật đó phải có những tính chất tán xạ giống như không gian tự do. Phương pháp tàng hình vừa nói này là mục tiêu tối hậu của các dụng cụ tàng hình.

Một cách làm cho một vật không phản xạ cũng không hấp thụ ánh sáng là bẻ cong ánh sáng đi vòng quanh qua nó. Điều này nghe có vẻ phức tạp, nhưng chúng ta có thể quan sát một phiên bản như thế này trong cuộc sống hàng ngày. Nếu chúng ta muốn một cái ống hút dường như bị cong đi vài ba độ, chúng ta có thể đặt nó trong một cốc nước. Cái ống hút một phần ở trong không khí, một phần ở trong nước, và dường như bị cong đi vì chiết suất của hai môi trường là khác nhau, và tính chất này xác định đường đi của ánh sáng. Với những đường đi phức tạp hơn, các thông số chất liệu cần thiết cho ánh sáng vạch ra một hình dạng nhất định có thể được tính toán bằng quang học biến đổi tọa độ, một công cụ toán học đã được những nhà tiên phong như L S Dolin và E G Post khám phá ra hồi nửa thế kỉ trước.

Phương pháp này thường bắt đầu bằng cách vạch ra lộ trình gián tiếp mà sóng ánh sáng đi qua và sau đó tính xem các tính chất vật liệu mang sóng phải biến thiên như thế nào theo tọa độ để đảm bảo lộ trình được tuân thủ. Về mặt toán học, kĩ thuật này đòi hỏi tính toán một phép biến đổi tọa độ từ một không gian Euclid, trong đó sóng truyền đi theo đường thẳng, sang một hệ tọa độ cong, trong đó sóng truyền đi theo lộ trình như mong muốn. Phép biến đổi tọa độ này sau đó được phiên dịch thành một tập hợp những thông số vật liệu phụ thuộc không gian, trong đó có hằng số điện môi ε và độ từ thẩm μ.

Ảnh cắt ngang của một áo tàng hình hình trụ được minh họa trên hình 1a, trong đó các sóng tới chảy xung quanh vùng bên trong và được hồi phục hoàn toàn sau đó, vì thế tạo ra một khu vực tàng hình. Một lựa chọn khác kém hấp dẫn hơn, nhưng thực tế hơn, được gọi là “thảm tàng hình”, hay áo tàng hình trải trên đất (hình 1b), biến đổi một bề mặt dẫn cong thành một bề mặt phẳng, và do đó làm cho tấm thảm cong, cùng với những vật bên dưới nó, trông như một bề mặt phản xạ phẳng phiu. Cái quan trọng đối với một áo tàng hình là không được có sự biến dạng ở đầu sóng quang học – cũng như không có sự biến dạng biên độ hoặc pha. Nhưng việc hồi phục quỹ đạo của một sóng phẳng trên thực tế không phải là điều kiện đủ cho sự tàng hình. Mặc dù chúng ta có thể chắc chắn hiện thực hóa một hiệu ứng như vậy bằng cách sử dụng bốn gương, hai thấu kính, hoặc một chồng thấu kính cầu (hình 1 c-e), nhưng những cấu hình này không được xem là dụng cụ tàng hình.

Cấu hình thực tế. Áo tàng hình do David Smith và đội của ông chế tạo tại trường Đại học Duke trông kém ấn tượng hơn áo tàng hình của Harry Potter, ít nhất là với những người không phải nhà khoa học.

Tàng hình quang học: Công cụ và đồ chơi

(a) Áo tàng hình điện từ hình trụ hoạt động trong không gian tự do, đã được triển khai thực nghiệm đối với vi sóng. Một sóng truyền ngang chảy từ trái sang phải vòng quanh khu vực tàng hình được biểu diễn bằng vòng tròn phía trong. Các đường màu vàng chỉ hướng của dòng năng lượng. (b) Tấm thảm tàng hình do Jensen Li và John Pendry đề xuất, nay đã được hiện thực hóa với bước sóng micro, hồng ngoại, và nhìn thấy, làm cho những vật nằm bên dưới cái gương biến dạng trở nên vô hình. Các tia màu đỏ và màu xanh lam tương ứng biểu diễn sóng tới và sóng phản xạ. Mảng bề mặt nhiều màu thể hiện sự phân bố không gian của hằng số điện môi trong một dụng cụ thảm tàng hình. Những mẫu kiểu đồ chơi có thể hồi phục quỹ đạo tia của sóng phẳng bằng cách sử dụng, thí dụ, (c) một tập hợp bốn gương, (d) một cặp hai thấu kính lồi giống hệt nhau, hoặc (e) một chồng thấu kính Luneburg. Chồng thấu kính Luneburg là do Asger Mortensen tại trường Đại học Kĩ thuật Đan Mạch đề xuất. Trong mỗi cấu hình, vùng biểu diễn bằng màu vàng nhạt là vô hình trước người quan sát bên ngoài.

Theo Physics World, tháng 7/2011

Xem tiếp Phần 2 >>

Bài trước | Bài kế tiếp