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 chiếc áo tàng hình đầu tiên ở tần số vi sóng được David Schurig và các đồng nghiệp tại trường Đại học Duke công bố, những nỗ lực thật sự dồn vào việc đẩy lùi dải hoạt động của áo tàng hình vào phần nhìn thấy của phổ điện từ. Việc này không dễ dàng vì cơ sở quang học biến đổi tọa độ xác định rằng cần có ba tính chất vật liệu đặc biệt cho một cái áo tàng hình hoàn chỉnh, và những tính chất này khó mà đạt được; thật ra, người ta dễ chế tạo một dụng cụ có những tính chất ngược lại hơn. Thứ nhất, chất liệu tạo nên áo tàng hình phải có tính dị hướng, nghĩa là môi trường tác dụng khác nhau theo những hướng khác nhau. Thứ hai, nó phải không đồng nhất, tức là các thông số vật liệu cần phải biến đổi theo không gian, mặc dù có một số ngoại lệ đối với quy tắc này. Thứ hai, chất liệu đó phải có hoạt động từ tính, nghĩa là nó có thể phản ứng trực tiếp với thành phần từ trường của ánh sáng. Đặc điểm cuối này cực kì khó thu được ở tần số quang học, huống hồ còn phải đạt tới sự điều khiển tinh vi tại mọi điểm và mọi hướng.
Mặc dù chiếc áo tàng hình vi sóng đầu tiên là một kiệt tác khắc phục một cách tao nhã cả ba trở ngại này, nhưng việc giảm cỡ thiết kế của nó cho những bước sóng quang học là không khả thi mấy do những khó khăn trong chế tạo lẫn những ràng buộc về chất liệu. Tuy nhiên, vào năm 2007, chúng tôi đã tính được rằng một trong những trở ngại trên – yêu cầu chất liệu phải hoạt động từ tính – là có thể khắc phục nếu như lộ trình của ánh sáng không bị biến dạng không gian theo hướng từ trường của nó. Hơn nữa, tấm thảm tàng hình mà Jensen Li và John Pendry tại trường Imperial College London đề xuất vào năm 2008 gợi ý rằng mối quan ngại về tính dị hướng cũng có thể giảm nhẹ thật sự bằng cách sử dụng một kĩ thuật biến đổi tọa độ gọi là “lập bản đồ hình thể”, như Ulf Leonhardt ở trường Đại học St Andrews đề xuất vào năm 2006, buộc góc 90o giữa những đường lưới ảo trong không gian được bảo toàn trong phép biến đổi tọa độ.
Giờ chúng ta phải vượt qua chỉ một trở ngại còn lại nữa thôi: yêu cầu về tính không đồng nhất, cái có vẻ ít đòi hỏi khắt khe nhất. Nguyên mẫu thiết kế của thảm tàng hình xác định một sự phân bố đặc biệt của chiết suất (hình 1b). Cái cần thiết phải làm thực nghiệm là xây dựng một cấu trúc có chiết suất phụ thuộc tọa độ như thế này. Mặc dù những môi trường quang thông dụng nhất là những khối vật liệu có giá trị chiết suất rõ ràng nhưng chúng ta có thể chuyển sang lĩnh vực mới có tên là siêu chất liệu, trong đó việc tạo ra một môi trường nhân tạo có chiết suất biến thiên theo không gian là một nhiệm vụ trọng tâm. Công việc này đòi hỏi thiết kế và tích hợp những phần nhỏ của chất liệu, hay các lỗ trống, có chiết suất khác với chiết suất của chất liệu nền. Sự phân bố của những “nguyên tử” nhân tạo này, chúng phải nhỏ hơn nhiều so với bước sóng đang xét, làm thay đổi chiết suất cục bộ của cấu trúc.
Một trong những nguyên mẫu đầu tiên của thảm tàng hình ở tần số quang học đã được chứng minh bởi nhóm của Xiang Zhang tại trường Đại học California, Berkeley, tại đó một đặc trưng chiết suất giống như trong hình 1b đã được người ta thu được bằng cách tạo ra những khoảng trống cỡ nano bên trong một miếng silicon cỡ micro (hình 2a). Người ta dùng một chùm ion hội tụ để khoan những khoảng trống hình trụ, kích cỡ và khoảng cách của chúng thật sự nhỏ hơn bước sóng hoạt động vào khoảng 1,5mm, sao cho phản ứng quang học được xác định bởi sự phân bố của chiết suất tác dụng, chứ không phải sự nhiễu xạ hoặc giao thoa thường thấy ở những tinh thể quang lượng tử.
Những minh chứng tương tự đã được báo cáo bởi các nhóm tại trường Đại học Cornell và Colorado, và tại Viện Công nghệ Georgia. Đáng chú ý hơn, một tấm thảm 3D hoạt động trong vùng hồng ngoại gần đã được báo cáo bởi một nhóm đứng đầu là Martin Wegener tại Viện Công nghệ Karlsruhe, Đức (hình 2b). Dụng cụ polymer này làm cho một chỗ nhô lên trên một bề mặt kim loại trông như phẳng, và sau đó làm cho những thứ giấu bên trong chỗ nhô lên đó trở nên vô hình đối với nhà quan sát bên ngoài ngay cả khi được chiếu sáng với ánh sáng chưa phân cực. Tất cả những dụng cụ này hoạt động trong một ngưỡng rộng hợp lí của bước sóng do sự tán sắc, cái xác định mức độ nhạy của những tính chất vật liệu với tần số ánh sáng, không phải là mối quan ngại lớn khi toàn bộ cấu trúc được chế tạo từ những thành phần điện môi, 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 vững chắc hướng đến sự hiện thực hóa một áo tàng hình lí tưởng. Nhưng chúng đã đủ chưa? Có lẽ là chưa, vì ít nhất hai nguyên do. Thứ nhất, kích cỡ của những vật thể có thể che giấu bên dưới một tấm thảm ma thuật như vậy là nhỏ hơn cái chúng ta có thể thấy. Thể tích của chỗ nhô lên trong tất cả những minh chứng này đều không hơn hàng chục micron khối, và việc đạt tới những thể tích lớn hơn dường như là không khả thi vì các phương pháp vi chế tạo quá phức tạp. Thứ hai, những áo tàng hình này hoạt động trong một ngưỡng bước sóng nằm ngoài phổ nhìn thấy. Một tấm thảm tàng hình đối với vùng phổ nhìn thấy sẽ đòi hỏi một chất liệu khác ngoài silicon, chất hấp thụ mạnh mọi photon nhìn thấy vì những photon này có năng lượng lớn hơn khe năng lượng của silicon. Quan trọng hơn, việc chế tạo những cấu trúc tương tự như trong hình 2 đối với ánh sáng nhìn thấy trở nên khắt khe hơn vì, để cho phương pháp môi trường tác dụng chiếm ưu thế, các chi tiết tinh vi trong cấu trúc đó phải nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng nhìn thấy.
Những thách thức dễ nản lòng này đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu hình thành nên những lựa chọn khác cho những hiện tượng kiểu tàng hình đối với ánh sáng nhìn thấy. Thí dụ, một đội đứng đầu là Igor Smolyaninov tại trường Đại học Maryland đã quan sát tính nhìn thấy giảm đi đối với một sóng ánh sáng đặc biệt phản xạ lên một bề mặt kim loại, hay “plasmon mặt”, cũng như lộ trình ánh sáng trong bộ dẫn sóng hình nón hình thành bởi hai màng kim loại có khả năng biến thiên dần. Công trình vừa nêu được thực hiện với sự hợp tác của đội Đại học Purdue, mà đứng đầu là một trong hai chúng tôi (VS). Tuy nhiên, những ý tưởng thông minh này đã lệch ra khỏi phiên bản mơ ước của áo tàng hình quang học.
Như chúng tôi đã đề cập ở phần trước, trong khi dạng dễ chế tạo nhất của áo tàng hình quang học là đồng nhất, đẳng hướng và phi từ tính, thì chất lượng cần thiết cho một áo tàng hình lí tưởng – như xác định bởi quang học biến đổi tọa độ - là cái ngược lại và khó chế tạo: một chất liệu không đồng nhất, dị hướng và hoạt động từ tính. Rõ ràng là một khối chất điện môi đồng đều, nó là đồng nhất, đẳng hướng và phi từ tính, có ít chuyện để làm đối với sự tàng hình.
Nhưng đây là những cách thông minh để vượt qua một hoặc hai trong ba yêu cầu trên, và không phải mỗi tính chất đều cần thiết để tạo ra một áo tàng hình hoàn chỉnh. Yêu cầu này được thực hiện bằng cách biến đổi những chất liệu điện môi để có những cấu trúc thiết kế khéo léo. Thí dụ, toàn bộ những tấm thảm tàng hình đã báo cáo ở bước sóng hồng ngoại, trong đó có hai phiên bản đẹp đẽ trình bày trên hình 2, đều là đẳng hướng và phi từ tính, và mục tiêu duy nhất trong việc hiện thực hóa là thỏa mãn tính không đồng nhất theo yêu cầu. Tuy nhiên, vấn đề là vật liệu càng có ít tính chất thì cấu trúc phải càng phức tạp và tính toán tỉ mĩ. Ngoài ra, việc bổ sung các tính chất bằng cách thao tác lên cấu trúc làm tổn hại đến sự tàng hình: những dụng cụ thu được biểu hiện sự tán xạ khác không (nói đại khái là chúng ít nhiều có thể nhìn thấy) và chúng chỉ hoạt động đối với ánh sáng có một hướng chiếu sáng và hướng phân cực nhất định.
Nhưng còn có những lựa chọn nào khác nữa hay không? Xét thách thức mênh mông của việc đạt tới một phản ứng từ tính có thể điều khiển cho sóng ánh sáng, chúng ta buộc phải chuyển sang sự lựa chọn dễ hơn của việc biến đổi nhân tạo hoặc là tính đồng nhất, hoặc là tính đẳng hướng. Từ quan điểm vi chế tạo, xử lí tính không đồng nhất, thường thu được bằng cách kết hợp hai chất liệu với tỉ lệ phần trăm bắt buộc, dường như dễ làm hơn là xử lí tính dị hướng vì tính dị hướng thường phụ thuộc vào những hạt có hình dạng sắp xếp theo một kiểu có trật tự. (Hãy nghĩ trộn chung gạo với đậu dễ như thế nào, nhưng sẽ khó biết bao nhiêu nếu muốn xếp từng hạt gạo một theo một hướng đặc biệt nào đó)
Còn tiếp Phần 3 >>
