Tháng 10 năm 2006, nhóm nghiên cứu ở Đại học Duke (Mỹ) cùng John Pendry (Imperial College London) công bố trên tạp chí Science chiếc "áo tàng hình" đầu tiên được kiểm chứng bằng thí nghiệm. Đó là một bộ vòng đồng đồng tâm làm vi sóng chảy vòng quanh một ống kim loại rồi khép lại phía sau, giảm mạnh cái bóng và sóng dội lại của ống. Thiết bị chỉ chạy với vi sóng, ở một tần số, trong mặt phẳng hai chiều — nhưng nó biến một ý tưởng trên giấy thành thứ đo được.
Bối cảnh: hai bài lý thuyết cùng một số báo
Tháng 5 năm 2006, Science đăng liền hai bài. Bài của John Pendry, David Schurig và David Smith có tên tạm dịch "Điều khiển trường điện từ", đưa ra phương pháp tính chính xác vật liệu cần có tại từng điểm để dẫn sóng đi vòng quanh một vùng. Bài của Ulf Leonhardt đi tới kết luận tương tự bằng một con đường toán học khác. Cả hai đều nói: về nguyên lý, có thể làm một vật biến mất trước sóng điện từ.
Nhóm Duke có lợi thế: họ đã có kinh nghiệm chế tạo siêu vật liệu từ các tấm mạch in từ những năm 2000 – 2001, khi đo được khúc xạ âm với vi sóng. Từ lý thuyết đến mẫu thử, họ chỉ mất vài tháng. Bài thí nghiệm, đứng tên David Schurig là tác giả đầu, được Science đưa lên mạng ngày 19 tháng 10 năm 2006 và in trong số tháng 11.
Chiếc áo trông như thế nào
Đừng hình dung một tấm vải. Thiết bị là một chiếc vòng tròn cỡ chiếc đĩa nhỏ, gồm mười lớp hình trụ đồng tâm. Mỗi lớp là một dải tấm mạch sợi thuỷ tinh, trên đó in hàng loạt vòng đồng có khe hở — loại "nguyên tử giả" mà Pendry đề xuất từ năm 1999. Kích thước các vòng thay đổi từ lớp trong ra lớp ngoài, để tính chất từ của vật liệu biến thiên dần theo bán kính đúng như bản đồ tính toán.
Ở giữa là vùng trống. Vật cần giấu là một ống đồng đặt vào đó — một vật kim loại, tức thứ phản xạ vi sóng rất mạnh, vì thế rất dễ "bị thấy" nếu không có áo.
Đo bằng cách nào
Thí nghiệm diễn ra giữa hai tấm kim loại phẳng đặt song song, cách nhau một khoảng nhỏ. Vi sóng ở tần số khoảng 8,5 GHz được phát vào khe giữa hai tấm, lan đi như sóng trên mặt nước nông. Một đầu dò nhỏ quét khắp mặt phẳng, ghi lại biên độ và pha của sóng tại từng điểm, rồi máy tính dựng thành bản đồ.
Họ so sánh bốn trường hợp:
- Không có gì: các vệt sóng song song, đều đặn như sóng biển vỗ bờ.
- Chỉ có ống đồng: sóng dội lại phía trước, phía sau ống có một vùng bóng rõ, các vệt sóng bị xé vụn.
- Ống đồng trong áo, theo mô phỏng: sóng chảy vòng quanh rồi khép lại.
- Ống đồng trong áo, đo thật: các vệt sóng uốn cong quanh vòng ngoài, đi qua, và phía sau gần như khôi phục được hình dạng ban đầu. Bóng nhỏ đi nhiều, sóng dội lại giảm rõ.
Bản đồ đo thật không đẹp như mô phỏng. Vẫn còn một ít phản xạ và một vệt bóng mờ. Nhưng xu hướng đúng như lý thuyết — đó là điều bài báo khẳng định, không hơn.
Vì sao nó chưa hoàn hảo
Để dễ chế tạo, nhóm Duke dùng một bộ thông số "rút gọn". Thiết kế lý tưởng đòi hỏi cả tính chất điện và từ đều biến thiên theo một kiểu rất chính xác, có chỗ phải tiến về 0 ở mép trong. Bộ rút gọn giữ đúng đường đi của sóng nhưng hy sinh sự khớp trở kháng ở mặt ngoài, nên một phần sóng bị dội lại ngay khi chạm áo.
Ngoài ra còn những giới hạn cố hữu:
- Một tần số: các vòng đồng cộng hưởng ở dải hẹp quanh 8,5 GHz. Lệch xa ra là áo mất tác dụng.
- Hai chiều: sóng bị nhốt giữa hai tấm kim loại, chỉ lan trong một mặt phẳng. Một chiếc áo ba chiều cần cấu trúc phức tạp hơn nhiều.
- Hao hụt: vòng đồng và tấm mạch hấp thụ một phần năng lượng, để lại bóng mờ.
- Một phân cực: thiết kế chỉ đúng với sóng có điện trường hướng theo một chiều nhất định.
Những bước tiếp theo ở Duke
| Năm | Sự kiện | Ý nghĩa |
|---|---|---|
| 1967 | Victor Veselago dự đoán vật liệu chiết suất âm | Nền lý thuyết xa nhất |
| 1999 | John Pendry đề xuất vòng kim loại có khe hở | Cách chế "nguyên tử giả" phản ứng với từ trường |
| 2001 | Shelby, Smith, Schultz đo khúc xạ âm với vi sóng | Siêu vật liệu chạy thật |
| 5/2006 | Pendry – Schurig – Smith và Leonhardt công bố lý thuyết tàng hình | Ra đời quang học biến đổi |
| 10/2006 | Nhóm Duke công bố áo tàng hình vi sóng | Kiểm chứng đầu tiên |
| 2009 | Duke và Đại học Đông Nam (Trung Quốc) làm áo kiểu "thảm" cho vi sóng hoạt động trên dải tần rộng hơn | Giảm sự phụ thuộc vào cộng hưởng |
| Đầu thập niên 2010 | Các mẫu cải tiến giảm phản xạ, nhưng vẫn chỉ đúng theo một hướng sóng tới | Gần lý tưởng hơn, vẫn hạn chế |
Năm 2014, John Pendry nhận Giải Kavli về khoa học nano (cùng Thomas Ebbesen và Stefan Hell), một phần vì công trình về siêu vật liệu và quang học biến đổi. Ông cũng đã được phong tước hiệp sĩ ở Anh từ trước đó.
Báo chí đã tường thuật ra sao
Năm 2006 là thời điểm bộ truyện Harry Potter đang ở đỉnh cao, nên gần như mọi tờ báo lớn đều gọi thí nghiệm là "áo choàng tàng hình kiểu Harry Potter". Chính các nhà khoa học trong cuộc liên tục nhắc rằng đây là thí nghiệm chứng minh nguyên lý, và đường tới ánh sáng nhìn thấy còn rất xa. Cách nói thận trọng ấy hoá ra đúng: gần hai mươi năm sau, chưa có chiếc áo nào làm được cho ánh sáng ban ngày, mọi màu, mọi góc.
Điều đáng nhớ hơn tiêu đề báo là một chi tiết khoa học: lần đầu tiên, người ta thiết kế một vật liệu bằng cách bắt đầu từ đường đi mong muốn của sóng, rồi tính ngược ra vật liệu phải như thế nào. Trước đó, quy trình thường đi ngược lại: có vật liệu nào thì dùng vật liệu đó.
Góc nhìn hôm nay: học được gì từ một thí nghiệm "chưa hoàn hảo"
Thí nghiệm Duke 2006 là ví dụ tốt để dạy cách đọc khoa học. Nó không làm thứ gì biến mất trước mắt người. Nó chỉ cho thấy sóng uốn quanh một vật đúng như toán học dự đoán, với sai số chấp nhận được. Giá trị của nó nằm ở chỗ biến một phép tính thành một phép đo, mở cửa cho hàng nghìn nghiên cứu sau đó về âm thanh, nhiệt, sóng nước, và thấu kính phẳng.
Người muốn đọc thêm có thể tìm bài gốc trên Science năm 2006 (tác giả đầu D. Schurig, tên bài "Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies") — phần tóm tắt và hình bản đồ sóng dễ hiểu ngay cả khi không đọc hết toán. Trang tin của Đại học Duke và Imperial College London cũng có bài kể lại cho công chúng. Muốn hình dung bằng tay, hãy thả một chiếc cọc vào dòng nước chảy đều trong máng: sóng vỡ sau cọc chính là "cái bóng" mà chiếc áo năm 2006 tìm cách xoá.
Câu hỏi thường gặp
Áo tàng hình Duke 2006 là gì?
Là thiết bị gồm mười lớp vòng đồng đồng tâm in trên tấm mạch, làm vi sóng tần số khoảng 8,5 GHz đi vòng quanh một ống đồng. Nó giảm rõ sóng dội lại và vùng bóng sau ống, công bố trên Science tháng 10 năm 2006.
Áo tàng hình Duke có làm người biến mất được không?
Không. Nó chỉ hoạt động với vi sóng, không phải ánh sáng nhìn thấy, chỉ trong mặt phẳng hai chiều và ở một tần số. Vật được che là một ống kim loại nhỏ.
John Pendry là ai?
Là nhà vật lý lý thuyết người Anh ở Imperial College London, người đề xuất cách chế tạo siêu vật liệu bằng vòng kim loại có khe hở và đồng tác giả lý thuyết quang học biến đổi năm 2006. Ông nhận Giải Kavli về khoa học nano năm 2014.
Vì sao thí nghiệm dùng vi sóng chứ không dùng ánh sáng?
Vì cấu trúc siêu vật liệu phải nhỏ hơn bước sóng nhiều lần. Với vi sóng bước sóng vài centimet, vòng đồng cỡ milimet là đủ và in được trên tấm mạch; với ánh sáng thì phải cỡ vài chục nanomet.
Ai là tác giả bài thí nghiệm năm 2006?
Tác giả đầu là David Schurig, cùng các đồng nghiệp ở Đại học Duke trong nhóm David Smith, và John Pendry. Bài được Science đưa lên mạng ngày 19/10/2006.
