Chiết suất âm ở miền bước sóng quang học

Dẫu chỉ mới được phát minh 6 năm trước đây, vật liệu với chiết suất âm ( negative refractive index material - NIM) đã là mục tiêu cho những khảo cứu sâu rộng lôi cuốn không chỉ của các nhà vật lý và kỹ sư. Những “siêu vật liệu” nhân tạo này hấp dẫn vì chúng cho phép tạo ra các chất với những tính chất quang học không có trong tự nhiên (1). Những vật liệu này tạo ra một loại những ứng dụng mới như các thiết bị thăm dò hay các hệ thống tạo ảnh có độ phân giải siêu cao. Miền ứng dụng càng lớn hơn, nếu những siêu vật liệu này còn được chế tao ra sao cho chúng có thể hoạt động cả trong miền quang học. Để kiểm soát được ánh sáng, phải tác động đến cả thành phần điện và từ của sóng ánh sáng, vốn là sóng điện từ. Để đạt được sự kiểm soát này, thường người ta chỉ nghĩ đến việc thay đổi trường điện từ vi mô trong một vật liệu. Tuy nhiên trong phần lớn các trường hợp, dễ hơn là lấy trung bình theo cỡ nguyên tử và coi vật liệu là một môi trường đồng nhất, đặc trưng bởi hằng số điện môievà hệ số từ thẩmm. Hai đại lượng này mô tả tính chất điện từ của vật liệu đã cho. Một cách cụ thể hơn nữa, từ 40 năm trước, Veselago (2) đã cho thấy rằng sự tổ hợp củae< 0 vàm< 0 sẽ dẫn tới chiết suất âm n < 0. Điều đó có nghĩa rằng vận tốc pha của ánh sáng là âm; nói khác đi là sóng sáng nay “vận số lùi”. Ý tưởng của Veselago trước đó vẫn tù mù, bởi lẽ cho tới nay vẫn chưa thấy tồn tại một vật liệu như vậy trong tự nhiên ở bất kỳ tần số nào. Mặc dầu cộng hưởng điện vớie< 0 xảy ra ở miền khả kiến và trên nữa, nhưng cộng hưởng từ lại tắt ngay ở tần số vi ba. Hơn nữa cộng hưởng điện và từ còn cần chồng chéo nhau về tần số, điều này có vẻ như không thể. Tuy nhiên, dùng đến các siêu vật liệu được cấu tạo một cách nhân tạo, mà ở đó những đám nhỏ hơn bước sóng thay thế cho nguyên tử và phân tử của một vật liệu thông thường, các nhà khoa học đã có thể vượt qua giới hạn này. Có thể cứ chế tạo được những siêu vật liệu thể hiện cả cộng hưởng điện lẫn từ mà chúng có thể điều chỉnh một cách độc lập để xảy ra trong miền phổ từ tần số vô tuyến đến khả kiến.

Từ NIM nhân tạo đầu tiên được chứng minh vào năm 2000 (3), siêu vật liệu đã thể hiện một loại tính chất và khả năng ứng dụng tiềm tàng: độ phản xạ gần như bằng không, nguồn sáng cũng như khả năng hội tụ đến kích cỡ nanomet, tiểu hình hoá các thiết bị như ăng ten hay ống dẫn sóng, và các loại máy mới để chụp hình trong ngành y tế, đặc biệt là cộng hưởng từ. Chẳng hạn siêu vật liệu có thể dẫn tới sự phát triển của các loại siêu thấu kính phẳng làm việc trong miền khả kiến cho ta năng suất phân giải cao hơn công nghệ thông thường rất nhiều, và độ phân giải ảnh nhỏ thua bước sóng ánh sáng.

Lý thuyết và thực nghiệm sau đó chứng minh thực tế có tồn tại chiết suất âm. Việc phát triển NIM ở tần số vô tuyến đã tiến bộ tới mức các nhà khoa học và kỹ sư đã đưa nó vào trong những ứng dụng ở miền sóng vô tuyến. Tuy nhiên NIM ở miền tần số cao hơn mới ở giai đoạn đầu, việc chế tạo và đặc trưng vật liệu cũng chỉ khởi xưởng. Để thu đượceâm (e< 0), phải tạo những dây dài, mảnh trong mạng cobic đơn giản để bắt chước phản ứng của kim loại trước sóng điện từ khi tần số dưới tần số plasma. Tần số giagaphéc đạt được với dây khoảng chục micromet, đặt cách nhau vài milimet. Cũng đã đạt đượcmâm (m< 0) từ năm 2004, ở miền tần số terahéc và hồng ngoại. Để tạo cảelẫnmâm với dây như trên khó, nhưng gần đây (2005 và 2006) đã thiết kế được những hệ dây như vậy, gọi là cấu trúc “ double - fishnet”, lưới bắt cá kép, gồm một cặp lưới kim loại tách biệt bởi một màng điện môi. Các nhà khoa học đã đạt được chiết suất âm với thiết bị như vậy ở bước sóng hồng ngoại gần (780 nm). Vậy là chỉ 6 năm sau phát minh, siêu vậy liệu với chiết suất âm đã đạt tới miền khả kiến, nhưng để đi đến ứng dụng, còn cần cải tiến: giảm mất mát (dùng kim loại dạng tinh thể và đưa vào vật liệu khuếch đại quang học), cấu trúc 3 chiều thay vì phẳng, thiết kế đẳng hướng, in micromet, rập nanô, quang khắc halogram. Ý tưởng của siêu vật liệu có chiết suất âm là tạo ra những vật liệu với tính chất quang học mới, bất thường.