Thí nghiệm ánh sáng xanh lục lệch về phía chiết suất âm

1. Siêu vật liệu chiết suất âm

Lâu nay ngay từ sách giáo khoa Vật lý trung học đã nói kỹ về hiện tượng khúc xạ. Tia sáng (sóng điện từ) khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường thì bị khúc xạ: tia sáng vẫn đi theo hướng cũ nhưng hơi khép lại gần hoặc hơi lệch ra xa pháp tuyến, góc khúc xạ r khác với góc tới i và chiết suất là n = sin i/ sin r luôn luôn dương.

Nhưng gần nửa thế kỷ trước đây, nhà vật lý lý thuyết Nga là Veselago chứng minh rằng chiết suất n nói chung là dương nhưng cũng có thể là âm. Ông lý luận ánh sáng là sóng điện từ khi đi vào môi trường vectơ điện trường và vectơ từ trường tác dụng lên các điện tử của môi trường nên môi trường có độ điện thẩmevà độ từ thẩmm, công thức xuất phát để tính chiết suất là n ² =em.

Từ đây, một cách tự nhiên rút ra:

nghĩa là chỉ lấy dấu + trước căn. Nhưng Veselago chứng minh rằng trong trường hợp vật liệu cóe< 0 vàm< 0 thì chiết xuất n của vật liệu phải là:

Dùng plasmon bề mặt mang ánh sáng cho đi qua lăng kính vàng - lần đầu tiên có được chiết suất âm đối với ánh sáng nhìn thấy (màu xanh lục)

Thực tế trong tự nhiên không thấy vật liệu nào đồng thời có

Tuy nhiên chỉ mới làm được siêu vật liệu chiết suất âm ứng với những sóng điện từ có bước sóng khá lớn so với bước sóng của ánh sáng vì “nguyên tử nhân tạo” kiểu như cặp thanh - vòng chưa thể làm quá nhỏ.

Nếu làm được siêu vật liệu chiết suất ứng với bước sóng thật ngắn, nhất là phạm vi bước sóng từ 0,4 đến 0,7 micromet thì mắt thường cũng có thể thấy được những đặc điểm kỳ dị của siêu vật liệu chiết suất âm. Thí dụ nếu làm được chất nước có chiết suất âm đối với ánh sáng nhìn thấy thì đứng trên nhìn xuống con cá đang bơi trong hồ nước không phải là thấy như là cá gần mặt nước hơn, trái lại thấy cá lửng lơ bơi cao trên mặt nước. Cũng vậy ở lĩnh vực tàng hình, nếu làm được vật liệu chiết suất âm đối với ánh sáng nhìn thấy thì dùng vật liệu đó làm một quả cầu rỗng có lớp vỏ dày, sẽ không nhìn thấy quả cầu và tất nhiên không nhìn thấy bất cứ thứ gì kể cả người hay vật bên trong quả cầu. Đó là quả cầu tàng hình. Vì vậy làm siêu vật liệu chiết suất âm ứng với những bước sóng ngắn cỡ dưới micromet là một cuộc chạy đua thành tích hiện nay.

2. Sóng mật độ điện tử bề mặt và plasmon

Vật lý đã sử dụng khá thành thạo hạt điện tử hay là electron để làm ra các máy móc linh kiện điện tử mà đỉnh cao là các chip điện tử, cốt lõi phần cứng của máy tính điện tử ngày nay. Vật lý cũng đã lợi dụng được sóng ánh sáng hay là các hạt photon để làm nhiệm vụ chuyển tải thông tin. Photon có tần số rất lớn, cỡ hàng trăm nghìn giganhertz, đồng thời di chuyển với tốc độ rất nhanh, cỡ 300.000 km/ giây nên thí dụ như ở cáp quang, thông tin photon mang được rất nhiều và chuyển tài rất nhanh. Mạng cáp quang toàn cầu hiện nay đã làm cho toàn cầu gần nhau, biết được thông tin của nhau một cách gần như tức thời. Có người đặt vấn đề sao không dùng luôn các hạt photon để làm linh kiện photon thay cho linh kiện điện tử, từ đó làm ra luôn các chip photon thay cho các chip điện tử như thế là hai trong một, photon vừa làm nhiệm vụ xử lý tín hiệu vừa làm nhiệm vụ truyền tải tín hiệu, cái gì cũng nhanh như ánh sáng cả, có phải là tuyệt diệu không.

Nhưng không may, vật lý có một quy luật nghiệt ngã: nếu dùng hạt có bước sónglđể làm linh kiện thì kích thước của linh kiện đó không thể nhỏ hơnl/2. Photon hồng ngoại có bước sóng từ 1500 nanomet, photon nhìn thấy có bước sóng từ 400 đến 700 nanomet. Vậy một linh kiện photon ánh sáng nhỏ nhất cũng vào cỡ trên vài trăm nanomet, linh kiện dùng photon hồng ngoại kích thước phải trên 700 nanomet.

Sở dĩ máy tính điện tử, công nghệ thông tin hiện nay đạt đến đỉnh cao là nhờ đã làm được từng linh kiện nhỏ điện tử như tranzito có kích thước rất nhỏ, cỡ 100 nanomet (hiện nay nhỏ nhất là 45 nanomet). Nhờ từng linh kiện rất nhỏ nên mới tích hợp được hàng triệu linh kiện trong một con chip, kích thước, cả con chip mỗi chiều chỉ cỡ vài centimet. Nay nếu chuyển sang làm linh kiện photon, từng linh kiện to hơn nhiều lần, cả con chip photon cũng chắc chắn phải rất cồng kềnh, không cạnh tranh được với con chip điện tử. Nhưng gần đây đã hé ra một lối thoát: không dùng photon mà dùng plasma để làm linh kiện. Có thể tạo ra photon mà dùng plasma tần số cao không kém photon là mấy và bước sóng của plasma có thể làm co lại thật hẹp, cỡ vài phần mười của bước sóng ánh sáng. như vậy là vẹn cả đôi đường.

Plasma là gì, có thật là có nhiều ưu điểm như vậy không?

Ta biết rằng có ba trạng thái của vật chất là khí, lỏng, rắn ở đấy các nguyên tử, phần tử là trung hoà điện và sắp xếp theo trật tự xa hay trật tự gần nào đó. Tuy nhiên có trạng thái thứ tư, ở đấy không còn nguyên tử, phân từ trung hoà nữa, chúng bị phân ly ra thành hạt mang điện âm (điện tử) và hạt mang điện dương (ion dương), chuyển động lộn xộn. Giữa hai điện cực của đèn phóng điện như đèn neon (đèn ống) là vật chất ở trạng thái plasma.

Còn một loại plasma rất thường gặp nữa: khí điện tử trong kim loại. Ta biết rằng ở kim loại có điện tử tự do. Đó là vì ở các nguyên tử cấu tạo nên kim loại, điện tử hoá trị bị tách khỏi nguyên tử làm cho nguyên tử trở thành các ion dương gần như đứng yên còn điện tử chuyển động hỗn loạn không ngừng trong môi trường chung quanh là tập hợp các ion dương. Vậy khí điện tử trong kim loại là một dạng của plasma, có thể nói đó là plasma điện tử.

Khi có ánh sáng tức là sóng điện từ chiếu đến kim loại thì điều gì xảy ra? Dao động của vectơ điện trường và vec tơ từ trường của ánh sáng làm cho điện từ tự do có thêm dao động thẳng (ảnh hưởng của điện trường) và dao động xoáy ảnh hưởng của từ trường. Như vậy là ánh sáng kích thích sóng trong plasma điện tử. Tương tự sự lan truyền sóng ánh sáng chính là sự lan truyền của hạt photon, sự truyền sóng mật độ điện tử trong plasma là sự lan truyền của hạt plasmon.

Plasmon lan truyền trong kim loại rất chóng bị yếu đi rồi tắt vì va chạm với mạng các ion dương. Ta thấy ánh sáng chiếu vào kim loại rất chóng bị tắt là vì lý do đó. Nhưng tình huống sẽ khác khi ánh sáng kích thích cho sóng plasma lan truyền theo mặt phân cách giữa kim loại và điện môi. Khi lan truyền theo bề mặt phân cách vì không gặp các ion kim loại, nên ở điện môi plasmon đi xa hơn so với đi trong kim loại. Như vậy mặt phân cách kim loại điện môi như là một mặt dẫn sóng plasmon. Người ta có thể làm một tấm điện môi mỏng hai bên là hai màng mỏng kim loại và dùng ánh sáng để kích thích. Plasmon sẽ đi theo mặt phân cách, tần số vẫn như tần số của ánh sáng nhưng tốc độ sẽ bị giảm đi. Nhờ đó bước sóngl= v/fcủa plasôn giảm, ngắn đi nhiều so với bước sóng ánh sáng. Làm linh kiện với plasmon kiểu này, linh kiện plasmon sẽ nhỏ hơn linh kiện photon. Thực nghiệm đã làm được các đường dẫn plasmon với bước sóng nhỏ lại chỉ bằng 2/10 bước sóng ánh sáng như vậy với plasoon loại này, linh kiện về nguyên tắc có thể làm nhỏ không khác gì linh kiện điện tử.

Hiện nay đã xuất hiện ngành khoa học có tên là plasmonics tương tự như nửa thế kỷ trước đây xuất hiện ngành khoa học electronics tức là điện tử học. Có triển vọng đến năm 2020 plasmonics có vai trò nổi bật như là electronics trước đây.

Nhưng xét cho cùng thì dao động plasma chỉ là đáp ứng của môi trường plasma điện tử khi có ánh sáng tác dụng. Khảo sát những vấn đề như chiết suất, tán xạ, khúc xạ… thực chất là khảo sát vấn đề dao động plasma điện tử. Vì vậy thí nghiệm về siêu vật liệu chiết suất âm trình bày dưới dây lại là vấn đề khúc xạ của tia plasmon.

3. Thí nghiệm về chiết suất âm đối với ánh sáng nhìn thấy

Trong bài “How to drive light round the wrong bend” (làm thế nào lái cho ánh sáng uốn sai chiều” đăng ở Nature số ra ngày 21 - 01 - 2007 có mô tả thí nghiệm của Jennifer Dionne và Henri Lezec của Đại học Công nghệ Californiaở Pasadena về chiết suất âm đối với ánh sáng nhìn thấy. Không phải là các tác giả làm vật liệu nhân tạo với các “nguyên tử” nhỏ vào cỡ bước sóng của ánh sáng, mà ở đây lại sử dụng sóng plasma bề mặt.

Ánh sáng đi vào linh kiện qua một khe nhỏ của lá bạc ở phía trên hình. Sóng ánh sáng tương tác với điện tử tự do trong bạc tạo nên sóng bề mặt chạy dọc theo mặt phân cách của kim loại bạc và lớp điện môi nitrit silic ở phía dưới. Trong điện môi nitrit silic đó có một thấu kính phủ vàng. Khe giữa lăng kính với lá bạc ở phía trên là 50 nanomet. Sóng plasmon bề mặt đi qua khe này và bị khúc xạ. Các tác giả thí nghiệm cho biết bước sóng ánh sáng sử dụng là 480 - 530 nanomet (xanh lục) đúng là tia sóng khúc xạ về phía âm. Chiết suất đo được là n = - 5. Khi sóng plasmon đi qua khe giữa lá bạc và lăng kính, sóng plasmon bị co lại, bước sóng bị giảm đi chỉ có một kiểu dao động của plasmon là lọt qua được. Như vậy chỉ ứng với một bước sóng nào đó của sóng ánh sáng plasmon bề mặt mới có tần số gần với tần số của điện tử dao động trong kim loại bạc tức là gần cộng hưởng. Ở điều kiện này sóng plasmon bề mặt tương tác với điện tử dao động làm cho đỉnh sóng và hõm sóng lộn ngược lại, do đó chiết suất âm.

Các tác giả thí nghiệm thì cho rằng thí nghiệm trên là chứng minh hùng hồn cho thấy đã thực hiện được chiết suất âm đối với ánh sáng nhìn thấy. Nhưng một số nhà khoa học thì nói rằng đó chỉ mới là chứng minh sóng plasôn có chiết suất âm.

Cuộc tranh luận về ý nghĩa của thí nghiệm này đang tiếp tục nhưng nhiều người cho rằng đã hé mở vật liệu chiết suất âm đối với ánh sáng nhìn thấy và bộ ba điện tử, photon, plasoon sẽ rất khăng khít trong công nghệ tương lai.