Siêu vật liệu mới đến gần công nghệ tàng hình

Một chiếc áo choàng tàng hình như trong phim Harry Porter chỉ là sản phẩm của trí tượng tưởng và trên thực tế, để tạo ra một sản phẩm tương tự đòi hỏi phải sử dụng các vật liệu có chỉ số khúc xạ âm đối với tất cả các bước sóng quang học từ đỏ đến tím.

Đến nay, những vật liệu quang học có cấu trúc nhân tạo như vậy chỉ khả dụng trong một số bước sóng rất hẹp, do đó giới hạn khả năng che phủ trên nhiều dải màu sắc. Tuy nhiên, trở ngại này có thể sẽ sớm được dỡ bỏ bởi các kỹ sư quang học tại đại học Stanford đã thành công trong việc thiết kế một loại siêu vật liệu có dải sáng rộng với chỉ số khúc xạ âm đối với 7 màu sắc cơ bản của cầu vồng.

"Chiếc áo" tàng hình đầu tiên được đại học Duke chế tạo hoạt động dựa trên nguyên lý uốn cong ánh sáng xung quanh một vật thể được bao phủ. Tuy nhiên, cơ chế này không hề đơn giản bởi ánh sáng thoát đi từ lớp phủ phải tương ứng với độ phân cực và pha của luồng ánh sáng chiếu qua. Nếu không, chiếc áo sẽ lộ nguyên hình và trong trường hợp này, bạn có thể không thấy được thứ bị bao phủ nhưng có thể chắc rằng "có một chiếc áo ở đây".

Theo phó giáo sư Jennifer Dionne: "Tất cả các vật liệu tự nhiên đều có chỉ số khúc xạ dương". Ví dụ như không khí ở các điều kiện tiêu chuẩn có chỉ số khúc xạ thấp nhất trong tự nhiên, tức là trên 1 một chút. Trong khi đó, chỉ số khúc xạ của nước là 1.33, của kim cương là 2.4. Vật liệu có chỉ số khúc xạ càng cao thì ánh sáng càng bị lệch hướng nhiều hơn so với đường đi ban đầu. Nếu chỉ số khúc xạ gần bằng 0 hoặc âm thì một hiện tượng vật lý rất thú vị sẽ xảy ra. Chúng ta có thể hình dung như sau, nếu cắm một chiếc ống hút để nghiêng trong cốc nước, nếu chỉ số khúc xạ của nước âm thì hình ảnh của chiếc ống hút mà chúng ta thấy sẽ đảo ngược. Phần trên ống hút (trên mặt nước) đang nghiêng từ phải sang trái nhưng phần dưới (dưới mặt nước) sẽ nghiêng từ trái sang phải thay vì cùng chiều (hình dưới).

Để có thể che khuất một vật thể hay hạn chế khúc xạ, vật liệu phải có khả năng kiểm soát chính xác đường đi của ánh sáng theo giả thuyết trên. Tuy nhiên, rất ít vật liệu tự nhiên có thể đáp ứng và câu trả lời là những siêu vật liệu quang học. Khác với vật liệu tự nhiên, siêu vật liệu thừa hưởng những đặc tính quang học từ hình dạng hình học của các đơn vị tế bào nano tạo nên nó hay còn gọi là "nguyên tử nhân tạo". Bằng cách thay đổi hình dạng của những đơn vị tế bào này, chỉ số khúc xạ của vật liệu có thể đạt giá trị dương, gần 0 hoặc âm.

Thêm nữa, những vật liệu như vậy cần tương tác với cả từ trường và điện trường của ánh sáng. Trước đây, nhiều nhà nghiên cứu đã thử chế tạo một siêu vật liệu chứa nguyên tử nhân tạo bao gồm 1 thành phần tương tác với điện trường và thành phần còn lại tương tác với từ trường. Mỗi thành phần tương tác với những màu sắc khác nhau của ánh sáng và rất khó để các thành phần tương tác với nhiều bước sóng cùng lúc.

Kết quả là dãy sóng hay phạm vi bước sóng dành cho hoạt động của mỗi thành phần thường bị giới hạn. Lớp phủ tàng hình rốt cuộc chỉ có thể hoạt động với ánh sáng vàng và dĩ nhiên là không hữu dụng chút nào trừ khi bạn muốn giấu đi một … nải chuối cũng màu vàng.

Vì vậy, Jennifer Dionne cùng các sinh viên tốt nghiệp Hadiseh Alaeian, Ashwin Atre và nghiên cứu sinh tiền tiến sĩ Aitzol Garcia đã thiết kế một loại siêu vật liệu mới với cấu trúc hợp nhất cho phép nó tương tác hiệu quả với cả điện trường và từ trường của ánh sáng trên một loạt các màu sắc ánh sáng.

Nhóm của Dionne đã sử dụng một kĩ thuật có tên gọi "phép biến đổi bảo giác" (conformal transformation) để chuyển đổi một cấu trúc siêu vật liệu 2 chiều với các đặc tính quang học theo ý muốn thành một dạng 3 chiều ở tỉ lệ nano với đặc tính quang học được giữ nguyên.

Cấu trúc nano được chuyển đổi có hình dạng giống như một mặt trăng lưỡi liềm, hẹp ở các đầu và mỏng ở trung tâm và chúng chính là những nguyên tử nhân tạo tạo thành siêu vật liệu. Các nguyên tử được sắp xếp trên một mạng lưới tuần hoàn và với thiết kế hiện tại, siêu vật liệu có chỉ số khúc xạ âm trên bước sóng dài 250nm trong nhiều vùng quang phổ thấy được và quang phổ cận hồng ngoại. Nhóm nghiên cứu cho biết chỉ với một vài điều chỉnh về cấu trúc, siêu vật liệu có thể khả dụng trên nhiều bước sóng.

Atre nói: "Chúng tôi có thể điều chỉnh hình dạng của lưỡi liềm hoặc thu nhỏ kích thước nguyên tử, do đó, siêu vật liệu có thể bao phủ các quang phổ thấy được, từ 400 đến 700nm".

Dĩ nhiên từ nghiên cứu của đại học Stanford đến chiếc áo tàng hình của Harry Porter là một chặng đường rất xa. Tuy nhiên, siêu vật liệu nói trên đã tạo nền tảng những lớp vật liệu mới mà một ngày nào đó có thể dùng để chế tạo một chiếc áo hay lớp phủ thật sự tàng hình, ít nhất là với mắt người. Nghiên cứu của đại học Stanford đã được công bố trên tạp chí Advanced Optical Materials.