[Fragments of Science #1]

English

Có lẽ ai cũng từng một lần mơ ước được sở hữu một chiếc áo choàng tàng hình. Tuy nhiên, rõ ràng là để trở nên vô hình là cả một thử thách rất lớn: những nỗ lực để đạt được điều này đã bắt đầu từ sớm nhất là sự ra đời những chiếc máy bay tàng hình đầu tiên với lớp phủ và thiết kế tối ưu để “chơi đùa” với sóng radar được sử dụng để phát hiện chúng. Từ những năm 2000, các nhà khoa học đã đạt đến được một cấp độ tinh vi hoàn toàn mới: thiết kế và chế tạo chính cấu trúc tạo nên vật liệu để thu được những tính chất điện từ, cơ học hoặc âm học kỳ quái, như làm lộn tùng phèo hành xử của bức xạ điện từ – sóng vô tuyến, vi sóng, hồng ngoại, ánh sáng bình thường, … – truyền qua chúng. Loại siêu vật liệu được nghiên cứu nhiều nhất là vật liệu chiết suất âm.

A. Nguyên lý về mặt vật lý của vật liệu chiết suất âm
  1. Một số định nghĩa cơ bản

Ánh sáng là sóng điện từ, tức là các dao động của điện trường và từ trường trong không gian. Những khái niệm cơ bản nhất của một sóng có lẽ là tần số và bước sóng, hai đại lượng đặc trưng cho tính tuần hoàn trong thời gian và không gian của sóng. Ánh sáng nhìn thấy có bước sóng trong khoảng 400 nm đến 800 nm (1 tỷ nanomet bằng 1 met!) và tần số khoảng 400 THz đến 800 THz (1 THz là 1 nghìn tỷ dao động trong 1 giây). Gắn mật thiết với hai đại lượng này là pha của mỗi điểm trong không-thời gian. Sự lan truyền sóng đi kèm với sự giảm pha, theo quy ước.

Vận tốc pha là vận tốc mà một sóng lan truyền. Chiết suất của một môi trường đo độ chậm của sóng tương ứng, được tính bằng vận tốc ánh sáng trong chân không chia cho vận tốc pha. Chiết suất của vật liệu được quyết định bởi mức độ phản ứng của nó với điện và từ trường – độ điện thẩm và độ từ thẩm.

Mặt sóng là tập hợp các điểm trong không gian có cùng pha tại một thời điểm. Với một chùm tia truyền thẳng trong môi trường đồng nhất, đẳng hướng, mặt sóng đơn giản là tiết diện ngang của chùm tia đó. Khi đến mặt phân cách giữa hai môi trường, mặt sóng sẽ bị biến dạng.

Ánh sáng truyền năng lượng (bạn hẳn có thể cảm thấy sự ấm áp trên bàn tay khi ánh nắng Mặt Trời chiếu vào). Hướng truyền của sóng là hướng truyền năng lượng.

Credit: QS Study
  1. Vật chất chiết suất âm

Trong khi vật liệu thường có độ điện thẩm và độ từ thẩm dương, hai giá trị này với vật liệu chiết suất âm là âm. Dựa vào bốn phương trình Maxwell của trường điện từ trong vật chất, Veselago đã chứng minh được rằng những vật liệu như vậy có chiết suất âm: vận tốc pha âm, tức là ngược với hướng truyền năng lượng. Ánh sáng truyền đi trong môi trường chiết suất âm có pha tăng lên thay vì giảm đi, làm mặt sóng bị biến dạng theo hướng làm cho chùm sáng bị khúc xạ theo hướng kì dị như trong hình.

Ảnh minh hoạ:

Một cách hiểu khác cho sự đảo chiều thay đổi pha này là hình dung ánh sáng như là các hạt photon. Khi (năng lượng) ánh sáng truyền về trước, sóng ánh sáng/hạt photon lại truyền ngược lại về phía nguồn! (Hình vẽ cho thấy vector sóng, chỉ hướng truyền photon, bị đảo ngược).

Đi kèm với việc này là hàng loạt tính chất ngược đời khác của vật liệu chiết suất âm, được tổng hợp lại trong hình sau:

Credit: Pendry, J. B., & Smith, D. R. (2006). The Quest for the Superlens. Scientific American, 295(1), 60–67 

(Dưới đây là một lời giải thích khá hay về siêu vật liệu nói chung, sử dụng mặt sóng. Nó cũng giải thích khái niệm sóng ánh sáng và cơ chế bẻ cong ánh sáng của thấu kính thường: Metamaterials Explained Simply and Visually – Youtube Duke University)

Credit: Nicola Bowler, Negative Refractive Index Composite Metamaterials for Microwave Technology, Semantics Scholar
B. Một số ứng dụng của vật liệu chiết suất âm:
  1. Áo tàng hình

Như một lẽ đương nhiên đây sẽ là ứng dụng đầu tiên được nói đến, vì nó đã là thứ đầu tiên lôi kéo nhiều bạn đọc đến dòng này của bài đăng. Một chiếc áo choàng được làm bằng vật liệu chiết suất âm làm cong ánh sáng xung quanh nó: những người nhìn vào nó thực tế sẽ thấy ánh sáng từ các vật thể phía sau nó. Các nhà nghiên cứu đã thực sự sản xuất một loại áo như vậy với cùng nguyên lý áp dụng cho bức xạ vi sóng; tuy nhiên, chiếc áo choàng tàng hình (áp dụng cho ánh sáng nhìn thấy) vẫn còn là một dự định trong tương lai mà thôi. Tuy nhiên, có một vấn đề nảy sinh ở đây: nếu những người bên ngoài áo choàng không thể nhìn thấy bạn, bạn cũng cũng không thể nhìn thấy họ (do tính đẳng hướng của phần lớn các vật liệu thông thường). Điều này không thực sự hữu ích khi sử dụng áo khoác tàng hình phục vụ cho những mục đích gián điệp. Chúng ta cần vật liệu dị hướng: ánh sáng từ bên ngoài có thể xuyên qua áo choàng đến mắt người mặc, trong khi ánh sáng từ bên trong thì không xuyên được, nhờ đó che giấu người mặc khỏi “kẻ thù” (một ví dụ đơn giản về loại vật chất này là “one-way glass” (kính một chiều)). Bởi vậy, cho đến bây giờ, chiếc áo choàng tàng hình đặc biệt của Harry Potter vẫn chỉ là viễn tưởng.

  1. Phòng vệ trước địa chấn

Như đã thấy ở trên, ánh sáng – bản chất là sự rung động của điện trường và từ trường – có thể bị uốn cong xung quanh một vật thể. Nếu chúng ta cũng áp dụng siêu vật liệu cho cơ học, có thể các chấn động mạnh của chất rắn (trong trường hợp với cường độ cao, sóng địa chấn, là căn nguyên của những trận động đất kinh hoàng) có thể bị “dắt mũi” để chuyển hướng xung quanh một cấu trúc nào đó. Nhờ vậy, cấu trúc sẽ miễn nhiễm với động đất – chúng ta sẽ không nhận ra bất kỳ một sự xáo trộn nào. Khoa học thật ngầu đúng không? Phương pháp này cũng có thể được sử dụng để tăng cường hiệu suất của các thiết bị nhạy cảm với các nhiễu loạn bên ngoài, chẳng hạn như máy tính lượng tử hoặc LIGO.

  1. Siêu thấu kính

Thấu kính thường uốn cong ánh sáng được làm bằng vật liệu chiết suất dương thông thường. Tuy nhiên, có một giới hạn lý thuyết khiến chúng không thể trở nên hoàn hảo: giới hạn nhiễu xạ. Do tính chất sóng của nó, ánh sáng đôi khi hành xử một cách khá “kỳ quái” so với quang học hình học đơn giản được dạy ở trường. Cụ thể ở đây là một thấu kính không thể tập trung một chùm ánh sáng thành một chấm “hoàn hảo”: chấm sẽ luôn bị mờ, mức độ tùy thuộc vào đường kính của ống kính. Đây là một vấn đề nghiêm trọng trong kính viễn vọng hoặc kính hiển vi, khi độ sắc nét của hình ảnh là tối quan trọng. Tuy nhiên, các siêu thấu kính làm từ siêu vật liệu có thể giải quyết một số khó khăn, vì chúng có thể phóng đại sóng suy biến, một loại sóng bình thường quá yếu không thể thu được bằng mắt hay máy ảnh nhưng lại nắm giữ thông tin về những chi tiết của vật nhỏ hơn cả bước sóng ánh sáng.

C. Chế tạo

Thành tựu kỹ thuật đáng chú ý này đạt được bằng cách kiểm soát cấu trúc vi mô của vật liệu để tạo ra các hiệu ứng điện từ đặc biệt. Các cấu trúc này phải đạt được kích thước nhỏ hơn bước sóng mục tiêu (có thể thấy trên hình ở phần A); do đó, thách thức về kỹ thuật lại khác nhau với từng bước sóng khác nhau. Thật vậy, để điều khiển sóng vi ba (có bước sóng vài cm), các nhà khoa học chỉ cần tạo ra các cấu trúc từ các đơn vị lớn đến cỡ mm. Những đơn vị vật liệu với kích thước lớn như những hạt cát này khiến cho một số siêu vật liệu trông như các cấu trúc rỗng.

Credit: Pendry, J. B., & Smith, D. R. (2006). The Quest for the Superlens. Scientific American, 295(1), 60–67 

(Hãy nhớ, các vật thể rắn “liền khối” thông thường cũng có khoảng trống với kích thước không thể thấy được bằng mắt thường!) Trong khi đó, đối với bước sóng khả kiến, phải kiểm soát chính xác được các đơn vị với kích thước chỉ vài nanomet, nên việc đạt được nó lại càng khó khăn hơn nhiều. Tuy vậy, hãy mong chờ rằng với những tiến bộ khoa học hiện đại, thế hệ con cháu chúng ta có thể nấp sau những tấm áo khoác tàng hình và quan sát qua những siêu lăng kính, điều mà giờ đây chúng ta chỉ có thể mơ ước tới!

[FRAGMENTS OF SCIENCE #1] – METAMATERIALS

Any of you must have at least once wished that you had had an invisibility cloak. Yet, it is clear that being invisible is hard: attempts to achieve this date back at least to the first stealth aircrafts, which utilized coating and design to play around with the radar waves used to detect them. From the 2000s, scientists have achieved a whole new level of sophistication: engineering the very structure of materials to create bizarre electromagnetic or mechanics/acoustic properties such as twisting the behavior of electromagnetic radiation – radio waves, microwaves, infrared, normal light,… – propagating through them. The most researched type of metamaterial is negative refractive index material.

A. The physics of materials with negative index of refraction
  1. Some basic definitions

Light is an electromagnetic wave, which means that it is the result of vibrations of electric and magnetic fields in space. The most basic concepts of a wave are probably frequency and wavelength: two quantities that characterize the periodicity of the wave in space and time. Visible light has a wavelength in the range of 400 nm to 800 nm (1 billion nanometers equals 1 meter!) and frequencies of about 400 THz to 800 THz (1 THz is 1 trillion vibrations per second). The phase of each point in space-time closely relates to these two. By convention, wave propagation accompanies phase reduction.

The phase velocity is the rate at which a wave propagates. The refractive index of a medium measures the “slowness” of the corresponding wave, calculated by the speed of light in vacuum divided by the phase velocity. The refractive index of a material is determined by its reactivity with electricity and magnetism – permittivity and permeability, respectively.

A wavefront is a set (locus) of all points in space that have the same phase at a time. With a straight beam in a homogeneous, isotropic environment, the wavefront is simply the cross-section of that beam. Upon reaching the interface between the two media, the wavefront will be deformed.

Light transmits energy (which is why you can feel the warmth when the sun is shining on your hands). Wave propagation has the same direction as energy transmission.

Credit: QS Study
  1. Negative refractive index matter

While normal materials have positive permittivity and permeability values, these two for negative refractive index materials are negative. Based on the four Maxwell’s equations, which describe electromagnetic fields in matters, Veselago proved that such materials have negative refractive indexes: the phase velocities in those cases are negative, which means that they have opposite directions to energy transmission. The light transmitted in a negative refractive index medium has an increasing phase, instead of decreasing, causing the wavefront to be deformed in a direction that makes the beam refracted in the strange direction shown in the picture.

Illustration:

Another way to understand this reversal phase change is to visualize light as photons. When the light (energy) travels forward, the light waves/photons propagate back to the source! (The image shows the wave vector, indicating the reversed direction of photons propagation).

This is accompanied by a series of other unpredictable properties of negative refractive index materials, which are summarized in the following illustrations:

Credit: Pendry, J. B., & Smith, D. R. (2006). The Quest for the Superlens. Scientific American, 295(1), 60–67 

(Here is a nice explanation of the general concept of metamaterials using wavefront. It also covers the wave nature of light and the bending mechanism of ordinary lens: Metamaterials Explained Simply and Visually – Youtube Duke University)

Credit: Nicola Bowler, Negative Refractive Index Composite Metamaterials for Microwave Technology, Semantics Scholar
B. Some applications of negative refractive material:
  1. Invisibility cloak

This should be obvious, since it was advertised from the beginning of this post, isn’t it? A cloak made by negative refractive index materials bends light around it: people looking at it will see light from the objects behind it instead. Researchers have indeed produced one such cloak for microwave radiation, but the cloak for visible light still lays in the future. However, there exists a problem: for normal, isotropic materials, if people outside the cloak can’t see you, you can’t see them, either, due to the reciprocity principle of light. Not really useful for sneaking around and spying, then. We need anisotropic materials: light from outside can pass through the cloak to the wearer’s eyes, while light from inside cannot, hiding the wearer from the enemy’s eyes (a simple example of this is one-way glass). For now, though, Harry’s cloak is still fiction, mainly due to a problem mentioned in the end of this post.

  1. Seismic protection

We have seen above that light – essentially vibrations of electric and magnetic fields – can be bent around an object. With metamaterials applied to mechanics as well, it is possible that strong vibrations of solids up to the scale of earthquake destruction waves can be guided around a structure. Thus, the structure will be immune to earthquakes, not a single disturbance will be noticed. Cool, right? This can also be used to enhance the performance of instruments sensitive to outside disturbances, such as quantum computers or LIGO.

  1. Superlens

Ordinary lenses bend light by normal, positive refractive index material. However, there is a theoretical limitation preventing them from being perfect: the diffraction limit. Due to its wave nature, light sometimes behaves differently from the simple, geometrical optics described in schools. In this particular case, a lens cannot focus a beam of light perfectly: the dot will always be blurred, the extent of which depending on the diameter of the lens. This is a serious problem in telescopes or microscopes where sharpness of image is critical. However, superlens made of metamaterials may solve some of the problems, as they can amplify a type of wave called evanescent wave, which is usually too weak to be captured in our eyes or normal camera but encodes fine details smaller than light wavelengths.

C. Manufacturing

This remarkable engineering feat is achieved by controlling the small-scale structure of the material to produce special electric and magnetic effects. The scale of this must be smaller than the targeted range of wavelength; therefore, the technical challenge is different for different wavelengths. Indeed, to control microwave light (with wavelengths of centimeters), scientists just need to create structures from units with scales in millimeters. This makes some metamaterials don’t seem like single pieces of material at all, but just hollow structures:

Credit: Pendry, J. B., & Smith, D. R. (2006). The Quest for the Superlens. Scientific American, 295(1), 60–67 

(Fact: ordinary materials are also hollow like this, though on a much smaller scale). Meanwhile, for visible wavelength, precise control of materials having a size of just several nanometers must be achieved, making it a much more difficult feat. Techniques are still under development to confront this challenge. Let’s hope that children of the next generation can sneak into a lab using an invisibility cloak to see what DNA looks like through superlens!

Trả lời

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Đăng xuất /  Thay đổi )

Google photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google Đăng xuất /  Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Đăng xuất /  Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Đăng xuất /  Thay đổi )

Connecting to %s