Kỷ nguyên vật liệu… tàng hình
Nói một cách khác, những cái mũ hay áo tàng hình trong truyện cổ tích hoàn toàn không phải chỉ là sản phẩm của trí tưởng tượng thuần tuý.
Thế nào gọi là tàng hình xét từ góc độ vật lý? Chúng ta có thể nhìn thấy mọi vật tương tác được với ánh sáng theo một cách thức nào đấy - phản chiếu, khuếch tán hay hấp thụ (của đáng tội, trong trường hợp cuối cùng, đối tượng sẽ trở thành một điểm đen trong cái nhìn của người quan sát).
Bởi vậy, để biến một vật nào đó trở thành vô hình (mắt người không nhìn thấy được), cần làm sao để nó không tương tác với sóng ánh sáng hay sóng điện từ... Hoặc là có thể tương tác nhưng lại tạo nên trong cái nhìn của người quan sát một ảo giác trống rỗng.
Ngay trong giai đoạn phát triển đầu tiên của bộ môn quang học, nhà toán học người Pháp Pierre Fermat (1601-1665) đã đưa ra một tiền đề rằng, một tia sáng khi hướng từ điểm A sang điểm B luôn chọn con đường ngắn nhất.
Nhưng các nhà nghiên cứu vật lý lại đặt ra câu hỏi: Điều gì sẽ xảy ra nếu bằng một cách nào đó chúng ta có thể thay đổi được tính chất của khoảng không gian để tia sáng "thích" bẻ cong nó đi vì coi "đường gần anh cứ đi vòng cho xa" ấy là khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm A và B?
GS David Smith ở Trường Đại học Tổng hợp Duke (Mỹ) so sánh quá trình này với việc làm thủng một mảnh vải. Mảnh vải - đó là không gian, còn những sợi vải tạo nên nó là quỹ đạo của những tia ánh sáng.
Trong trạng thái bình thường, các tia sáng đi thẳng như những sợi chỉ trong tấm vải. Nếu cẩn trọng làm giãn các sợi vải ra mà không làm đứt chúng, ta sẽ có những lỗ thủng trên bề mặt tấm vải, khoảng trống mà các tia sáng sẽ hoàn toàn không lọt vào. Và bất cứ một vật nào ẩn bên trong khoảng trống đó, sẽ có thể trở nên vô hình.
Và quả thực là các nhà vật lý khi nghiên cứu các quá trình tương tác giữa các tia sáng với vật chất, đã phát hiện ra rằng, trong thiên nhiên tồn tại những cơ chế có khả năng buộc ánh sáng chuyển dịch không theo đường thẳng.
"Quá trình uốn lượn của các tia sáng diễn ra do những sự khác nhau trong tính chất của các vật mà nó xuyên qua", Phó Giám đốc Viện Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng Động lực học điện tử Liên bang Nga thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Nga Vladimir Kisel đã giải thích hiện tượng kỳ lạ này với phóng viên tạp chí Itogi như vậy.
Ngay từ khi còn ngồi trên ghế nhà trường phổ thông chúng ta đã được làm quen với hiện tượng khúc xạ ánh sáng: Chỉ cần nhớ tới cảnh cái thìa được cho vào cốc nước. Tỉ lệ khúc xạ vật chất cho thấy mức độ tia sáng uốn cong thế nào khi xuyên từ một môi trường vật chất này sang môi trường vật chất khác. Tỉ lệ này được xác định bởi hai thông số - hằng số điện môi và hằng số từ thấm của vật chất.
Nếu lựa chọn những vật chất có giá trị nhất định các hằng số này, có thể "lũng đoạn" được tia sáng. Trong việc này cũng có hai chuyện tinh tế cần lưu tâm. Thứ nhất: Cần làm sao để tia sáng uốn lượn nhịp nhàng. Và để đạt được điều đó, môi trường phải là thứ không đồng nhất - các chỉ số của nó phải dần dà thay đổi. Và thứ hai, để đạt được sự tàng hình, cần những vật liệu mà cả hằng số điện môi lẫn hằng số từ thấm đều nhỏ hơn hàng đơn vị. Trong tự nhiên những vật liệu như thế hoàn toàn không tồn tại.
Lần đầu tiên trong lịch sử, khả năng giải quyết bài toán trên đã xuất hiện sau khi các nhà khoa học chế tạo được metalmaterial (MTM) - loại vật liệu nhân tạo với những tính năng "ca nhạc theo yêu cầu thính giả". Tính chất của MTM phụ thuộc vào cấu trúc chứ không phải vào thành phần cấu tạo. Người ta chế tạo ra MTM khi đưa vào vật liệu những phần tử kim loại theo một trật tự nhất định nào đó. Quan trọng là để những phụ gia này và khoảng cách giữa chúng nhỏ hơn nhiều so với chiều dài bước sóng mà vật liệu phải tương tác. "Trong trường hợp này sóng không "nhận diện" được từng phụ gia đơn lẻ mà sẽ tiếp nhận toàn bộ vật liệu một cách tổng thể như một vật liệu với những tính chất mới - TS Vladimir Kisel giải thích. - Bằng cách đó có thể nhận được những giá trị cần thiết cho hằng số điện môi và hằng số từ thấm của vật chất".
Thuật ngữ MTM được đặt ra vào năm 1999 bởi nhà nghiên cứu Rodger M. Walser ở Trường Đại học Tổng hợp
Thế nhưng, ngay từ năm 1967 đã có một nhà vật lý người Nga tên là Victor Veselago ở Viện Vật lý Prokhorov thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Nga tiên đoán trước được về MTM. Trong một bài báo đăng trên tạp chí "Những thành tựu khoa học vật lý", Veselago đã trình bày về mặt lý thuyết các tính chất của những vật liệu với giá trị âm của hằng số điện môi và hằng số từ thấm.
Theo một số nguồn thông tin khác (công bố trên từ điển mở Wikipedia), người đầu tiên khám phá ra MTM chính là nhà nghiên cứu W.E. Kock từ năm 1940... Và tới năm 2000, các nhà khoa học Mỹ ở Trường Đại học Tổng hợp California tại San Diego mới lần đầu tiên tổng hợp được loại vật liệu này.
Cũng từ đó đã bắt đầu quá trình tích cực công bố các công trình nghiên cứu về MTM, trong đó có dành cho chủ đề ứng dụng vào việc tạo nên những vật liệu tàng hình. Những người đầu tiên đạt được thành công trong lĩnh vực này là nhóm các nhà khoa học Mỹ và Anh dưới sự chỉ đạo của David Smith ở Trường Đại học Tổng hợp Duke: Năm 2006, họ đã trưng bày một công cụ có thể giấu đồ vật thoát khỏi phát xạ sóng cực ngắn. "Mũ tàng hình" đầu tiên trên thế giới đã hiện ra dưới dạng một tập hợp chục cái xi lanh làm từ mạch in gắn với các phần tử cộng hưởng, được xếp chồng lên nhau. Bên trong "cái mũ tàng hình" ấy, các nhà nghiên cứu giấu một xi lanh bằng đồng.
Tiếp đó, toàn bộ kết cấu này được các nhà nghiên cứu rọi vào bằng ánh sáng điện từ để theo dõi tính chất của nó thay đổi thế nào. "Cái mũ tàng hình" quả thực đã tạo nên ảo giác một không gian rỗng không ở nơi đối tượng nghiên cứu được đặt.
Hiện nay, thí nghiệm này vẫn còn những hạn chế. Thứ nhất, nó chỉ có hiệu quả đối với một dải tần sóng điện từ rất hẹp - khi thí nghiệm, tần số tối ưu đã là 8,5 gigaHertz. Kho tần số này bị thay đổi thì hiệu ứng tàng hình cũng bị mất đi. Thứ hai, "mũ tàng hình" được làm từ chất cách điện lại ngốn tia sáng quá nhiều. Sóng điện từ đi qua vỏ, ở lối qua đã bị mất gần hết năng lượng. Nếu nói tới dải tần quang học, người quan sát hoặc chỉ nhìn thấy một hình bóng rất mờ ảo của đồ vật đang nằm trong "mũ tàng hình", hoặc thấy một điểm đen thuần tuý... Dẫu sao, giai đoạn vạn sự khởi đầu nan đã vượt qua.
Tiếp sau thí nghiệm trên, cũng nhóm nghiên cứu do David Smith chỉ đạo đã xây dựng được một phương thức khác để tàng hình đồ vật - họ không sử dụng "mũ tàng hình" mà sử dụng "thảm tàng hình". Thay vì một màn ảnh làm từ chất cách điện, có nhiệm vụ giấu kín toàn bộ đồ vật, các nhà nghiên cứu đã sử dụng vỏ bọc ngoài bằng chất dẫn điện. Nếu đối tượng quan sát được giấu trong một "tấm thảm" như thế, các tia sáng sẽ phản chiếu từ nó như từ một mặt phẳng. Và điều đó có nghĩa là, dù bản thân "tấm thảm" vẫn hiện hình ra nhưng người quan sát sẽ không thể nghi ngờ rằng dưới nó có vật gì đó đang được cất giấu.
Tới đầu tháng 5/2009, xuất hiện thông tin về một bước nhảy vọt đáng kể trong hướng nghiên cứu này: Hai nhóm các nhà khoa học Mỹ từ Trường Đại học Tổng hợp Cornell và Trường Đại học Tổng hợp Califorinia ở Berkeley đã thông báo về việc họ đã cải thiện được đáng kể những kết quả nghiên cứu của những người đi trước và đã tiến sát gần tới dải tần hiện hình, nơi mà chiều dài bước sóng chỉ ở mức vài trăm nanomét.
Thành tựu này cho phép làm giảm một cách căn bản kích cỡ các "phụ gia" và từ bỏ các thành phần kim loại thẩm thấu nhiều ánh sáng. Nhóm các nhà nghiên cứu ở Trường Đại học Tổng hợp Cornell (dưới sự chỉ đạo của Michael Lipson) đã sử dụng điôxít silíc có gắn các mảnh silíc với đường kính 50 nanomét làm giá đỡ.
Còn các đồng nghiệp của họ từ
Hiện nay cả các nhà lý thuyết lẫn các nhà thực nghiệm trên khắp thế giới vẫn đang tiếp tục tìm tòi những phương thức mới để tạo ra các "công cụ tàng hình". Đó có thể là mũ, thảm hay nhưng đồ vật rất kỳ quái. Một nhóm các nhà khoa học Trung Quốc đã chứng minh được về mặt lý thuyết là: Có thể tàng hình đồ vật không chỉ ở bên trong mà cả ở bên ngoài "mũ tàng hình".
Cũng phải nói thêm một điều, mặc dù đã có những thành tựu không nhỏ nhưng cho tới nay một số chuyên gia vẫn tỏ ý hoài nghi về việc tới một lúc nào đó có thể đạt được tàng hình toàn diện. "Mô hình hiệu ứng này trông rất hay, - Vladimir Kisel nhận xét,- nhưng nó chỉ có tác dụng trong một dải tần chật hẹp".
Bởi vậy, cũng có thể "trò chơi tàng hình" sẽ trở thành công dã tràng. Nhưng cũng có thể những tìm tòi nghiên cứu theo hướng này sẽ dẫn các nhà khoa học tới những kết quả cực kỳ bất ngờ nào đó