Tàng hình bằng siêu vật chất

Siêu vật liệu chiết suất âm và phép lạ tàng hình

Theo từ điển tiếng Việt thì tàng hình là dùng phép lạ tự làm cho mình như biến mất đi không ai có thể nhìn thấy được. Phép lạ tàng hình tưởng chỉ nghe nói đến trong các truyện chưởng, trong tiểu thuyết viễn tưởng, thực tế chỉ thấy có nguỵ trang, chưa thấy có tàng hình. Máy bay gọi là tàng hình thực ra là do chất sơn phủ, do hình dạng v.v…nên từ xa, sóng ra đa không phát hiện được chứ đến gần thì ai cũng có thể nhìn thấy được.Nhưng từ những năm 1990, báo chí khoa học rầm rộ đưa tin về một loại vật liệu mới có tính chất lạ đời, tia sáng chiếu vào qua mặt phân cách không bị lệch (khúc xạ) về phía dương như lâu nay ta vẫn thấy mà lệch về phía âm. Vật liệu mới đặc biệt này có tên là siêu vật liệu chiết suất âm, gọi tắt theo tiếng Anh là MM-NR, đó là ghép các chữ cái đầu MetaMaterials-NegativeRefraction. Tính chất lạ đời là có chiết suất âm của vật liệu đặc biệt này dẫn đến có nhiều ứng dụng để làm phép lạ tàng hình.

Lai lịch và tính chất lạ đời của siêu vật liệu chiết suất âm

Vấn đề chiết suất và ứng dụng đã được trình bày tương đối rành mạch và cụ thể ở các công trình của Newton vào thế kỷ XVII. Lý thuyết về sóng điện từ phát triển sau đấy cũng đã giải thích rõ tại sao ánh sáng tức là sóng điện từ đi qua mặt phân cách, giữa hai môi trường bị lệch đường đi, tức là bị khúc xạ. Đó là vì sóng điện từ là sự lan truyền trong không gian điện trường E và từ trường H. Khi đi qua mặt phân cách, thí dụ từ không khí đi vào thuỷ tinh, sóng điện từ kích thích dao động điện tử ở các phần tử cơ bản cấu tạo nên thuỷ tinh. Điện trường E của sóng điện từ làm cho các điện tử dao động tới lui (dao động thẳng) còn từ trường H của sóng điện từ làm cho các điện tử dao động tròn qua lại (dao động xoáy). Tổng hợp các sóng điện từ nhỏ do các dao động thẳng và dao động xoáy của điện tử sinh ra chính là sóng điện từ khúc xạ qua thuỷ tinh. Hai đại lượng đặc trưng cho thuỷ tinh ảnh hưởng đến dao động thẳng và dao động xoáy của điện tử là độ điện thẩm và độ từ thẩm µ của thuỷ tinh.Lý thuyết vật lý cổ điển cho biết chiết suất n liên hệ với   và µ của môi trường theo công thức: n=+

Thực tế đối với các chất thường gặp như nước, thuỷ tinh…evà µ đều có giá trị dương nên đã từ lâu ai cũng cho rằng n=+(hình 1_2), nói cách khác chiết suất n của các chất đều có giá trị dương.

Cho đến năm 1967 Victor Veselago một nhà lý thuyết người Nga mới đưa ra ý kiến có thể có trường hợp một chất có cả   và đều µ đều là âm, lúc đó chiết suất n của chất đó phải là n=-nghĩa là chất đó có chiết suất âm. Nhưng ít người để ý đến ý kiến của Veselago, cho rằng vật liệu có chiết suất âm là điều không tưởng.

Về sau một số nhà khoa học suy nghĩ lại cho rằng tuy trong tự nhiên chưa bao giờ thấy có vật liệu có chiết suất âm, nhưng không thể bác bỏ lập luận của Veselago. Trong những nhà khoa học đặt lại vấn đề đó, nổi bật là giáo sư John Brian Pendry người Anh. Từ lập luận cơ bản là chiết suất của một chất phụ thuộc vào các phần tử cơ bản của chất đó phản ứng ra sao đối với sóng điện từ chiếu đến, Pendry đã tính toán thiết kế chế tạo các phần tử cơ bản và bố trí chúng trong không gian theo một trật tự nhất định, làm thành vật liệu nhân tạo mà theo Pendry sẽ có chiết suất âm. Vật liệu nhân tạo đó có cấu tạo như vẽ ở hình 1 và chiếu vào đó tia sóng điện từ có bước sóng cỡ milimét thì các phép đo đạc về tia khúc xạ chứng tỏ rằng vật liệu nhân tạo đó đúng là chiết suất âm. Ở đây ta thấy Pendry làm phần tử cơ bản là bộ đôi gồm vòng hở cộng hưởng SRR (split ring resonator) và thanh dẫn (wire), bố trí các phần tử cơ bản đó sắp xếp tuần hoàn. Qua tính toán của Pendry thì kích cỡ phần tử cơ bản cũng như khoảng cách giữa chúng cũng phải vào cỡ bước sóng của sóng điện từ mà đối với sóng đó vật liệu có chiết suất âm.

Có thể sử dụng vật liệu có chiết suất âm để tàng hình

Sau khi nhân tạo làm ra được siêu vật liệu có chiết suất âm tuy bước đầu còn hạn chế (do không làm được các phần tử cơ bản có kích thước quá nhỏ), chỉ ứng dụng được đối với những sóng điện từ có bước sóng lớn nhưng về nguyên tắc là có thể chế tạo được siêu vật liệu chiết suất âm đối với bất kỳ sóng điện từ nào. Từ đây Pendry đưa ra ý tưởng là có thể chế tạo siêu vật liệu chiết suất âm để tàng hình (hình 2).

Lập luận của Pendry như sau: Nếu làm một quả cầu có thành dày nhưng rỗng bằng vật liệu có chiết suất âm và chọn chiết suất từ ngoài vào trong thay đổi một cách thích hợp thì những tia sóng ánh sáng đi về phía quả cầu sẽ bị uốn lượn khi đi vào lớp vỏ dày rồi đi ra theo hướng cũ. Do đó người đứng sau quả cầu vẫn thấy các tia sáng đến mắt theo hướng cũ như là không có quả cầu, tức là thấy được nguồn sáng chứ không thấy được quả cầu: quả cầu được tàng hình. Nếu như có người hoặc vật liệu ở bên trong phần rỗng của quả cầu, tất nhiên là không ai nhìn thấy được. Vậy là cả quả cầu, cả người và vật bên trong quả cầu thực sự là được tàng hình.

Theo đề xuất của Pendry, phép lạ tàng hình nay đã có hướng giải quyết rất khoa học. Thực tế làm được đến đâu là tuỳ thuộc vào việc chế tạo siêu vật liệu đã đạt được những tiến bộ như thế nào.Như chúng ta đã biết phổ sóng điện từ rất rộng, từ sóng vô tuyến có bước sóng dài đến hàng mét, hàng chục mét đến sóng ngắn, sóng vi ba từ centimet đến milimet, đến sóng hồng ngoại, sóng ánh sáng bước sóng từ hàng chục micromet đến nhỏ hơn micromet. Muốn làm siêu vật liệu chiết suất âm ứng với sóng điện từ nào phải làm các phần tử cơ bản có kích thước vào cỡ bước sóng của sóng điện từ đó. Vì vậy tương đối dễ dàng chế tạo siêu vật liệu đối với sóng điện từ có bước sóng lớn như sóng vô tuyến, sóng vi ba, còn rất khó làm siêu vật liệu đối với sóng ánh sáng. Do đó làm siêu vật liệu chiết suất âm đối với một phạm vi hẹp sóng điện từ cỡ sóng vi ba đến nay cơ bản xem như đã giải quyết được còn đối với sóng ánh sáng trong một phạm vi bước sóng rộng như phổ ánh sáng nhìn thấy là còn rất khó, hầu như chưa làm được. Do đó tàng hình theo đúng nghĩa “không ai có thể nhìn thấy được” là khả thi nhưng còn là mục tiêu phấn đấu lâu dài”.

Tàng hình đối với sóng âm

Vấn đề siêu vật liệu chiết suất âm khởi đầu là vấn đề thuộc về lĩnh vực chiết suất đối với ánh sáng, mở rộng ra là lĩnh vực chiết suất đối với sóng điện từ.Tuy nhiên từ những kết quả về siêu vật liệu chiết suất âm đối với sóng điện từ, các nhà khoa học đã mở rộng hơn nữa cho các trường hợp sóng khác, đặc biệt là sóng cơ.

Phân tích, đối chiếu, các nhà khoa học thấy rằng sóng âm là sóng cơ truyền trong môi trường vật chất như là chất khí, chất lỏng, chất rắn, không truyền được trong chân không. Nếu sóng điện từ là sự lan truyền của điện trường E và từ trường H thì ở sóng âm, đó là sự lan truyền của dao động nén giãn môi trường và khối lượng riêng (mật độ khối) của môi trường. Nếu ở sóng điện từ hai đại lượng đặc trưng cho môi trường truyền sóng ảnh hưởng đến chiết suất là độ điện thẩmevà độ từ thẩm µ thì ở sóng âm, hai đại lượng đặc trưng của môi trường, ảnh hưởng đến chiết suất là độ đàn hồi β và khối lượng riêng.

Tương tự như ở trường hợp chiết suất đối với sóng điện từ, nếu tính toán làm các phần tử cơ bản và bố trí chúng một cách thích hợp thì có thể nhân tạo làm ra vật liệu có chiết suất âm đối với sóng âm tức là vật liệu có β vàrâm vì lúc đó chiết suất (hình 1_4) có giá trị âm. Sóng âm có bước sóng khá lớn so với bước sóng của sóng điện từ (ở lĩnh vực vi ba, sóng ánh sáng). Vì vậy chế tạo các phần tử cơ bản để làm siêu vật liệu chiết suất âm đối với sóng âm dễ hơn. Cái khó và phức tạp là ở khâu tính toán thiết kế.Vấn đề chế tạo siêu vật liệu chiết suất âm đối với sóng âm hiện nay rất được chú ý vì tính chất ứng dụng thực tế để tàng hình sóng âm. Ở đây cần hiểu ý nghĩa hai từ tàng hình một cách thiết thực hơn.Lâu nay chuyện rất phiền toái là tiếng ồn. Căn phòng ở chung cư có thể bị âm thanh nhà hàng xóm lan truyền đến qua tường ngăn, qua cửa…Một nhà hát cần tuyệt đối im lặng, không có tiếng động từ ngoài đến, để trong nhà chỉ nghe âm thanh biểu diễn. Cách giải quyết lâu nay vẫn là kín cổng cao tường, dùng vật liệu hấp thụ sóng âm thanh ngoài đến. Thực tế là khá tốn kém nhưng cũng không ngăn chặn triệt để được.Một hướng giải quyết hoàn toàn khác là không ngăn chặn âm thanh bên ngoài đến bằng cách dùng tường dày, dùng vật liệu xốp để hấp thụ mà dùng siêu vật liệu chiết suất âm để làm cho sóng âm ở ngoài khi đến phải lượn vòng theo tấm siêu vật liệu rồi đi ra theo hướng khác chứ không đi vào được bên trong. Trong căn trong phòng có lớp bọc bằng siêu vật liệu chiết suất âm không ai cảm nhận được sóng âm từ ngoài đến tức là được tàng hình đối với sóng âm.Các nhà khoa học ở Hồng Kông (hình 3) gần đây đã chế tạo tấm siêu vật liệu có chiết suất âm để tàng hình sóng âm như sau: lấy một tấm nhựa dày 3milimet, khoét thủng những lỗ vuông mỗi cạnh là 1 centimet và căng lên các lỗ vuông đó màng nhựa latex đàn hồi. Giữa mỗi lỗ vuông trên màng nhựa có gắn một nút tròn bằng nhựa loại hơi nặng. Như vậy phần tử cơ bản của siêu vật liệu nhân tạo này là màng nhựa latex hình vuông giữa có nút tròn nặng. Tuỳ theo màng nhựa latex dày hay mỏng, căng nhiều hay căng ít, nút nhựa ở giữa nặng nhẹ bao nhiêu mà mỗi phân tử cơ bản như vậy dao động cộng hưởng với sóng âm ở một tần số nhất định nào đó và cả tấm nhựa có các ô vuông đó là một tấm siêu vật liệu chiết suất âm đối với tần số nói trên. Người ta đã thử chế tạo 5 tấm mỏng siêu vật liệu như vậy với màng latex và nút nhựa hơi khác nhau, kết quả là tập hợp 5 tấm đã tàng hình được sóng âm từ 70Hz đến 500Hz. Tàng hình sóng âm bằng siêu vật liệu là một hướng đi mới , hiện đại để giải quyết vấn đề cách âm.

Tàng hình sóng động đất

Động đất là thảm hoạ do thiên nhiên gây ra, gây tàn phá chết chóc lớn nhất. Nguyên nhân chính gây ra động đất là chuyển động của các mảng kiến tạo trên vỏ quả đất. Chuyển động này rất chậm chạp (vào cỡ như móng tay mọc) nhưng dần tích luỹ một năng lượng cực lớn ở dọc biên giới của các mảng kiến tạo. Đến một lúc, năng lượng tích luỹ quá lớn đó sẽ gây phá vỡ ở một số điểm yếu dọc theo đường biên. Năng lượng thoát ra ở chỗ phá vỡ gây ra động đất. Bắt đầu từ chỗ bị phá vỡ gọi là tâm chấn, sóng động đất lan truyền cả bên trong lòng đất lẫn trên mặt đất. Các sóng này đến đâu gây ra phá hoại đổ vỡ ở đó.Lâu nay đối phó với động đất chỉ là dự báo sớm để phòng tránh tốt. Nhà cửa, các công trình xây dựng để phòng chống động đất chỉ có cách là tăng cường khả năng chống rung động cho nền móng, kết cấu. Vì động đất thực chất là sự lan truyền sóng cơ trên Trái đất, sóng này rất mạnh nên khó làm được gì để ngăn cản.Nhưng tương tự như ở sóng âm, có thể dùng siêu vật liệu chiết suất âm đối với sóng động đất để tàng hình làm cho sóng động đất không phải bị hấp thụ mà là chuyển động lượn vòng ra khỏi mục tiêu cần bảo vệ. Vấn đề chính là làm được siêu vật liệu chiết suất âm đối với sóng động đất. Đã có phương án làm phần tử cơ bản là những vòng đồng tâm bằng chất dẻo, tính toán sao cho độ đàn hồi và trọng lượng của mỗi vòng cộng hưởng với sóng động đất trong một phạm vi tần số nào đó. Phối hợp nhiều vòng chôn quanh công trình cần bảo vệ, sóng động đất đến sẽ lượn vòng, không đến được công trình.Một phương án khác là làm các vòng bằng bê tông (hình 4) đường kính mỗi vòng từ 1 đến 10 mét và dầy 10 centimet chôn sâu quanh công trình. Tính sơ bộ công trình như ngôi nhà 10 mét rộng chôn độ 100 vòng như thế thì có thể xem như có cái áo tàng hình bảo vệ không bị động đất phá hoại.

Từ một vấn đề vật lý về siêu vật liệu chiết suất âm đối với sóng ánh sáng, ít ai nghĩ rằng sau vài chục năm đã mở rộng phạm vi ứng dụng sang nhiều loại sóng khác như sóng âm, sóng động đất, rất thiết thực với đời sống.