Siêu vật liệu (metamaterial) là vật liệu nhân tạo ghép từ vô số "nguyên tử giả" — những vòng, thanh, cột nhỏ hơn bước sóng ánh sáng — nên tính chất quang học của nó do hình dạng và cách xếp các cấu trúc ấy quyết định chứ không do chất liệu. Nhờ vậy người ta có thể tạo ra thứ tự nhiên không có, như chiết suất âm, làm ánh sáng bẻ ngoặt về "sai" phía. Bẻ cong ánh sáng theo ý muốn chính là bước đầu tiên của mọi ý tưởng tàng hình bằng vật lý.
Ánh sáng "cảm nhận" vật liệu thế nào
Khi ánh sáng đi vào thuỷ tinh, nó chậm lại và đổi hướng. Mức chậm lại được đo bằng chiết suất: không khí gần bằng 1, nước khoảng 1,33, thuỷ tinh thường khoảng 1,5, kim cương khoảng 2,42. Chiết suất càng lớn, tia sáng càng bị bẻ gắt ở mặt tiếp giáp. Quy luật bẻ này được Willebrord Snellius tìm ra đầu thế kỷ 17 và ngày nay gọi là định luật Snell.
Chiết suất của một chất lại phụ thuộc vào hai đại lượng: chất đó phản ứng thế nào với điện trường của sóng ánh sáng (hằng số điện môi) và với từ trường của nó (độ từ thẩm). Trong vật liệu tự nhiên, ở tần số ánh sáng, phản ứng với từ trường gần như bằng không. Nghĩa là thiên nhiên chỉ cho ta xoay một núm vặn, còn núm kia bị khoá cứng. Siêu vật liệu ra đời để mở khoá núm thứ hai.
Ý tưởng bị bỏ quên ba mươi năm
Năm 1967, nhà vật lý Liên Xô Victor Veselago đăng một bài lý thuyết (bản tiếng Anh in năm 1968) đặt câu hỏi: nếu cả hai đại lượng kia cùng âm thì sao? Ông tính ra một vật liệu như vậy sẽ có chiết suất âm. Ánh sáng đi vào nó bị bẻ sang cùng phía với tia tới so với pháp tuyến — ngược hẳn với mọi thứ ta thấy hằng ngày. Một tấm phẳng làm từ chất ấy thậm chí có thể hội tụ ánh sáng như thấu kính.
Vấn đề là không ai biết lấy vật liệu đó ở đâu. Bài báo nằm yên gần ba thập kỷ.
Pendry và những vòng đồng hở
Cuối thập niên 1990, John Pendry ở Imperial College London tìm ra cách chế. Ý tưởng của ông: không cần tìm nguyên tử có tính chất lạ, hãy tự làm "nguyên tử" lớn hơn.
- Dây kim loại mảnh xếp song song làm điện trường phản ứng như thể ta đang ở trong một môi trường có hằng số điện môi âm, ở tần số tuỳ chọn theo khoảng cách dây.
- Vòng kim loại có khe hở (split-ring resonator), mỗi vòng như một mạch điện tí hon gồm cuộn cảm và tụ điện, cộng hưởng với từ trường. Gần tần số cộng hưởng, độ từ thẩm có thể thành âm.
Năm 1999, Pendry công bố thiết kế vòng hở. Năm 2000, nhóm của David Smith và Sheldon Schultz (Đại học California, San Diego) ghép dây và vòng lên các tấm mạch. Năm 2001, Richard Shelby, Smith và Schultz đăng trên Science thí nghiệm đo được khúc xạ âm với vi sóng: chùm sóng đi qua một lăng kính siêu vật liệu bị bẻ sang phía ngược với lăng kính teflon thông thường.
Cũng năm 2000, Pendry viết bài "thấu kính hoàn hảo", lập luận rằng tấm chiết suất âm lý tưởng có thể hội tụ cả những chi tiết nhỏ hơn bước sóng — điều thấu kính thường không làm được. Bài này gây tranh cãi lớn lúc đầu; thực tế sau đó cho thấy hiệu ứng có thật nhưng bị hao hụt mạnh do vật liệu hấp thụ.
Từ chiết suất âm đến "uốn không gian"
Chiết suất âm là một trò mới, nhưng điều làm siêu vật liệu thành công cụ tàng hình là một bước khác: quang học biến đổi (transformation optics), công bố năm 2006.
Hãy hình dung một tờ giấy kẻ ô. Ánh sáng đi theo đường thẳng trên các ô vuông. Giờ ta dùng ngón tay đẩy các ô ra xa một điểm ở giữa, tạo một lỗ trống, các đường kẻ cong vòng quanh lỗ rồi duỗi thẳng lại phía sau. Nếu ánh sáng đi theo các đường kẻ đã bị kéo giãn ấy, nó sẽ không bao giờ đi vào lỗ. Toán học cho phép đổi "cái kéo giãn" thành một bản đồ: tại mỗi điểm, vật liệu phải có tính chất điện và từ bằng bao nhiêu, theo hướng nào.
Bản đồ ấy thường đòi hỏi tính chất thay đổi liên tục từ trong ra ngoài, và khác nhau theo hướng. Không vật liệu tự nhiên nào làm được, nhưng siêu vật liệu thì có thể: chỉ cần đổi kích thước vòng hở dần dần theo bán kính. Thí nghiệm của Đại học Duke cuối năm 2006 làm đúng việc này.
So sánh vật liệu thường và siêu vật liệu
| Đặc điểm | Vật liệu thường (thuỷ tinh, nước) | Siêu vật liệu |
|---|---|---|
| Tính chất do đâu | Thành phần hoá học, cấu trúc nguyên tử | Hình dạng, kích thước, cách xếp các cấu trúc nhân tạo |
| Chiết suất | Dương, thường từ 1 đến khoảng 2,5 | Có thể gần 0, âm, hoặc rất lớn trong dải tần thiết kế |
| Phản ứng với từ trường của ánh sáng | Gần như không có | Điều chỉnh được nhờ cộng hưởng |
| Dải tần hoạt động | Rộng | Thường hẹp, quanh tần số cộng hưởng |
| Hao hụt năng lượng | Thấp với thuỷ tinh quang học | Thường cao, nhất là khi dùng kim loại ở tần số quang học |
Vì sao làm cho ánh sáng nhìn thấy lại khó gấp bội
Quy tắc chung là mỗi "nguyên tử giả" phải nhỏ hơn bước sóng cỡ mười lần. Với vi sóng bước sóng vài centimet, cấu trúc cỡ milimet in trên tấm mạch điện là xong. Với ánh sáng đỏ bước sóng khoảng 650 nanomet, cấu trúc phải cỡ vài chục nanomet — nhỏ hơn vi khuẩn — và phải sắp đều đặn trên diện tích lớn, theo ba chiều.
Thêm một vấn đề nữa: kim loại như vàng, bạc vốn dẫn điện tốt ở tần số vi sóng lại hấp thụ đáng kể ở tần số quang học. Cấu trúc cộng hưởng mạnh thì hao nhiều, ánh sáng đi qua bị nuốt bớt và vật lại lộ ra dưới dạng bóng tối. Các nhóm nghiên cứu đã chuyển sang dùng chất điện môi như silic, titan dioxit để giảm hao hụt, chấp nhận bớt "phép thuật".
Bề mặt siêu mỏng: nhánh rẽ thành công nhất
Năm 2011, nhóm của Federico Capasso ở Đại học Harvard công bố trên Science một phát hiện thực dụng: không cần khối siêu vật liệu dày, chỉ một lớp ăng-ten nano trên bề mặt đã đủ để lái tia sáng. Mỗi ăng-ten làm trễ ánh sáng một chút khác nhau, và chuỗi độ trễ ấy bẻ hướng tia sáng theo một quy tắc Snell "mở rộng". Lớp như vậy gọi là metasurface.
Năm 2016, nhóm này làm ra thấu kính phẳng (metalens) bằng các cột titan dioxit cao chưa tới một micromet, hội tụ ánh sáng nhìn thấy đủ sắc để chụp ảnh qua kính hiển vi. Đến đầu thập niên 2020, một số cảm biến thương mại đã dùng thấu kính kiểu này. Đây là nơi ý tưởng "bẻ cong ánh sáng theo ý muốn" ra khỏi phòng thí nghiệm nhanh nhất — không phải để tàng hình, mà để làm camera mỏng hơn.
Góc nhìn hôm nay: siêu vật liệu ở quanh ta
Chữ "siêu vật liệu" hay bị dùng như từ quảng cáo. Một cách phân biệt: vật liệu đó có tính chất nhờ cấu trúc được thiết kế nhỏ hơn bước sóng hay chỉ nhờ thành phần? Một tấm sơn đặc biệt chưa chắc là siêu vật liệu; một tấm mạch in đầy vòng đồng đều đặn thì nhiều khả năng là có.
Ngoài tàng hình, các hướng ứng dụng đang được nghiên cứu nhiều gồm: ăng-ten nhỏ gọn cho viễn thông, bộ hấp thụ sóng trong thiết bị đo, cảm biến sinh học dựa trên cộng hưởng, thấu kính phẳng, và siêu vật liệu âm học để cách âm. Người muốn tìm hiểu thêm có thể đọc phần giới thiệu về metamaterials trên trang của Imperial College London (nơi Pendry làm việc), hoặc tìm bài giảng phổ thông của Federico Capasso về metalens. Thí nghiệm dễ làm nhất để cảm nhận chiết suất là cắm chiếc thìa vào cốc nước và nhìn nó "gãy" ở mặt nước — siêu vật liệu chỉ là cách điều khiển chỗ gãy ấy tới từng điểm.
Câu hỏi thường gặp
Siêu vật liệu là gì?
Là vật liệu nhân tạo gồm các cấu trúc nhỏ hơn bước sóng được sắp xếp có chủ đích. Tính chất của nó với sóng điện từ hoặc sóng âm do hình dạng và cách xếp các cấu trúc ấy quyết định, nên có thể tạo ra tính chất không có trong tự nhiên.
Chiết suất âm là gì?
Là trường hợp ánh sáng đi vào vật liệu bị bẻ sang cùng phía với tia tới so với đường pháp tuyến, ngược với khúc xạ thông thường. Victor Veselago dự đoán năm 1967, và nhóm Shelby, Smith, Schultz đo được với vi sóng năm 2001.
Siêu vật liệu có làm được áo tàng hình không?
Về nguyên lý thì có, và đã thử thành công với vi sóng năm 2006. Nhưng làm cho ánh sáng nhìn thấy, mọi màu, mọi góc nhìn thì chưa ai làm được vì cấu trúc phải cực nhỏ và vật liệu hao hụt năng lượng nhiều.
Metasurface khác siêu vật liệu thế nào?
Metasurface là phiên bản hai chiều, chỉ một lớp cấu trúc nano trên bề mặt. Nó dễ chế tạo hơn khối ba chiều và đã được dùng làm thấu kính phẳng trong một số cảm biến.
Ai được coi là cha đẻ của siêu vật liệu?
John Pendry thường được nhắc nhiều nhất vì đưa ra cách chế tạo và lý thuyết quang học biến đổi. Victor Veselago đặt nền lý thuyết chiết suất âm, còn David Smith và cộng sự làm các thí nghiệm đầu tiên.
