Từ hữu hình đến vô hình -
Phần 2
Sự tàng hình nay đã là hiện thực. Nhưng các nhà khoa học chưa hài lòng và
vẫn đi tìm món chén thánh: một cái áo tàng hình che giấu những vật thể vĩ mô nhìn
từ mọi góc độ bằng ánh sáng nhìn thấy không phân cực. Wenshan Cai và Vladimir
Shalaev trình bày con đường phía trước trong cuộc truy tìm này.
Vấn đề nan giải thứ ba
Kể từ khi chiếcáo tàng hìnhđầu tiên ở tần số vi sóngđược David Schurig và
các đồngnghiệp tại trường Đại học Dukecông bố,nhữngnỗ lực thật sự dồn vào
việc đẩylùi dải hoạtđộng của áo tàng hình vào phần nhìn thấy của phổ điện từ.
Việc nàykhông dễ dàng vì cơ sở quang họcbiến đổi tọa độ xác địnhrằngcần có ba
tính chất vật liệu đặc biệtchomộtcái áo tànghìnhhoàn chỉnh, và nhữngtính chất
này khómàđạt được; thật ra, người ta dễ chế tạo một dụngcụ có những tínhchất
ngược lại hơn. Thứ nhất, chất liệu tạo nên áo tàng hìnhphải có tínhdị hướng,
nghĩa là môi trường tác dụng khác nhau theo những hướng khác nhau. Thứ hai,nó
phải không đồngnhất, tức là các thôngsố vậtliệu cần phải biến đổi theo không
gian, mặc dù có một số ngoại lệ đối với quy tắc này. Thứ hai, chấtliệu đó phải có
hoạt động từ tính, nghĩa là nócó thể phản ứngtrực tiếp với thànhphầntừ trường
của ánh sáng. Đặc điểm cuối nàycực kì khó thu đượcở tần số quanghọc, huống hồ
còn phải đạt tới sự điều khiển tinh vitại mọiđiểm vàmọi hướng.
Mặcdù chiếc áo tàng hình vi sóngđầu tiên là mộtkiệt tác khắc phục một
cách tao nhã cả ba trở ngại này, nhưng việc giảm cỡ thiết kế của nó cho những
bướcsóng quang học là không khả thi mấy do nhữngkhó khăn trong chế tạo lẫn
những ràng buộcvề chất liệu. Tuynhiên, vàonăm 2007, chúng tôi đã tính được
rằng mộttrong những trở ngại trên – yêucầu chất liệu phải hoạtđộng từ tính –là
có thể khắc phục nếu như lộ trình của ánh sáng không bị biến dạng không gian
theo hướng từ trườngcủa nó. Hơn nữa, tấm thảmtàng hình mà JensenLi và John
Pendrytại trường Imperial College Londonđề xuất vàonăm 2008gợi ý rằng mối
quan ngại về tính dị hướng cũng có thể giảm nhẹ thật sự bằng cách sử dụngmột kĩ
thuật biến đổi tọa độ gọi là“lập bản đồ hình thể”, như Ulf Leonhardt ở trườngĐại
học St Andrews đề xuất vào năm 2006, buộc góc 90

o
giữa những đườnglưới ảo
trong không gianđược bảo toàn trongphép biến đổi tọa độ.
Giờ chúng ta phải vượt qua chỉ một trở ngại còn lại nữa thôi:yêucầu về tính
khôngđồngnhất, cái có vẻ ít đòi hỏi khắt khe nhất. Nguyênmẫu thiết kế của thảm
tàng hình xácđịnhmộtsự phânbố đặc biệt của chiết suất(hình1b). Cái cần thiết
phải làm thựcnghiệm là xây dựng một cấu trúc có chiếtsuất phụ thuộctọa độ như
thế này. Mặcdù nhữngmôi trườngquangthôngdụng nhất là nhữngkhối vật liệu
có giátrị chiết suất rõ ràng nhưng chúngta có thể chuyển sanglĩnh vựcmới cótên
là siêuchấtliệu, trong đó việc tạo ramộtmôi trườngnhân tạo có chiết suất biến
thiên theo khônggianlà một nhiệm vụ trọngtâm. Công việc này đòi hỏi thiếtkế và
tích hợp những phần nhỏ của chất liệu, hay cáclỗ trống,có chiết suấtkhác với
chiết suất củachấtliệu nền. Sự phân bố của những“nguyên tử” nhântạonày,
chúng phải nhỏ hơnnhiều so với bước sóng đang xét, làm thayđổichiết suấtcục
bộ của cấu trúc.
Một trong những nguyên mẫu đầu tiên của thảm tàng hìnhở tần số quang
học đã đượcchứng minh bởi nhóm của Xiang Zhangtạitrường Đại họcCalifornia,
Berkeley,tại đó một đặctrưng chiết suất giốngnhư trong hình 1bđã đượcngười
ta thu được bằng cách tạo ra nhữngkhoảng trốngcỡ nano bên trong mộtmiếng
silicon cỡ micro (hình 2a). Người ta dùng một chùm ion hội tụ để khoannhững
khoảng trốnghìnhtrụ, kích cỡ và khoảng cách của chúngthậtsự nhỏ hơnbước
sóng hoạt động vào khoảng 1,5mm,sao cho phản ứng quanghọc được xác định bởi
sự phân bố của chiết suất tác dụng, chứ không phải sự nhiễu xạ hoặc giaothoa
thường thấy ở những tinh thể quang lượng tử.
Những minhchứng tươngtự đã được báocáo bởi các nhóm tại trường Đại
học Cornell và Colorado, và tại Viện Công nghệ Georgia.Đáng chú ý hơn, một tấm
thảm3Dhoạtđộng trong vùnghồngngoại gần đã được báo cáo bởi một nhóm
đứng đầu là Martin Wegener tại Viện Côngnghệ Karlsruhe, Đức (hình 2b).Dụng cụ
polymernày làm cho một chỗ nhôlên trên một bề mặt kim loại trông như phẳng,
và sau đó làm cho những thứ giấubêntrong chỗ nhô lênđó trở nên vô hình đối với

nhà quansát bên ngoài ngaycả khi được chiếu sáng với ánh sángchưa phâncực.
Tất cả những dụngcụ này hoạt độngtrong một ngưỡng rộng hợp lí của bước sóng
do sự tán sắc, cái xácđịnhmức độ nhạy của những tính chấtvật liệu với tần số ánh
sáng,khôngphải là mối quan ngại lớn khitoàn bộ cấu trúcđượcchế tạo từ những
thành phần điệnmôi, trong đó sự tán sắc luôn rất yếu.
Hình 2. Thảm tàng hình cho vùng hồng ngoại gần. (a) Một tấm thảm tàng hình
toàn điện môi đối với các sóng mang quang học trong một miếng silicon. Dụng cụ
trên, có những khoảng trống khoan vào trong nó theo một phân bố làm thay đổi
chiết suất cục bộ, được thiết kế và chế tạo bởi nhóm của Xiang Zhang tại trường Đại
học California, Berkeley. (b) Một tấm thảm tàng hình 3D do đội của Martin Wegener
tại Viện Công nghệ Karlsruhe, Đức, chứng minh. Những chi tiết tinh vi của cấu trúc
3D trên được khắc thành một ma trận polymer bằng kĩ thuật ghi laser trực tiếp.
Bài toán nhức đầu
Những nỗ lực này tiêu biểu cho những bước tiến vữngchắchướng đến sự
hiện thực hóamộtáo tàng hình lí tưởng. Nhưng chúng đã đủ chưa?Có lẽ làchưa, vì
ít nhấthai nguyên do.Thứ nhất, kích cỡ của nhữngvật thể có thể che giấu bên
dướimộttấm thảm ma thuật như vậy là nhỏ hơncáichúngta có thể thấy. Thể tích
của chỗ nhô lên trongtất cả những minhchứng này đều khônghơn hàngchục
micronkhối, và việc đạt tới nhữngthể tích lớnhơn dường như là không khả thi vì
các phương pháp vi chế tạo quá phứctạp. Thứ hai, những áo tàng hình này hoạt
độngtrong một ngưỡngbước sóngnằm ngoài phổ nhìn thấy. Một tấm thảm tàng
hình đối với vùngphổ nhìn thấy sẽ đòihỏi một chất liệu khác ngoài silicon,chất
hấp thụ mạnh mọi photon nhìn thấyvì nhữngphoton này có năng lượnglớn hơn
khe năng lượng của silicon. Quantrọnghơn, việc chế tạo những cấu trúc tương tự
như trong hình2 đối với ánhsángnhìn thấy trở nên khắtkhehơn vì, để cho
phươngpháp môi trườngtác dụng chiếm ưu thế,các chi tiết tinhvi trong cấutrúc
đó phải nhỏ hơn nhiều sovới bước sóngcủa ánh sáng nhìnthấy.
Những tháchthức dễ nản lòngnày đã thúc đẩy cácnhà nghiêncứuhình
thành nên những lựa chọn khác chonhững hiện tượngkiểu tàng hình đối với ánh
sáng nhìn thấy.Thí dụ, một đội đứng đầu là IgorSmolyaninovtại trường Đại học

Marylandđã quan sát tínhnhìn thấy giảm đi đối với một sóng ánh sáng đặcbiệt
phản xạ lên một bề mặt kim loại, hay “plasmonmặt”, cũng như lộ trìnhánhsáng
trong bộ dẫn sóng hình nón hìnhthành bởihaimàng kim loại có khả năng biến
thiên dần. Công trình vừa nêu được thực hiện vớisự hợp tác của đội Đại học
Purdue, mà đứngđầu là một trong haichúngtôi (VS).Tuynhiên, nhữngý tưởng
thông minh này đã lệch ra khỏi phiên bản mơ ước của áo tàng hình quang học.
Như chúngtôi đã đề cập ở phần trước,trong khi dạng dễ chế tạo nhất của áo
tàng hình quang học là đồngnhất, đẳng hướng và phi từ tính, thì chấtlượngcần
thiết chomộtáo tàng hìnhlítưởng – như xác định bởi quang họcbiến đổi tọa độ -
là cái ngược lạivàkhó chế tạo: một chấtliệu không đồng nhất, dị hướng vàhoạt
độngtừ tính. Rõràng là mộtkhối chất điện môi đồngđều,nó là đồng nhất, đẳng
hướngvà phitừ tính, có ít chuyện để làmđối với sự tàng hình.
Nhưng đây lànhữngcách thông minh để vượt qua mộthoặchaitrong ba yêu
cầu trên, và khôngphải mỗi tínhchất đềucần thiết để tạo ramộtáo tàng hình hoàn
chỉnh.Yêucầunày được thựchiện bằng cách biến đổi nhữngchất liệu điện môi để
có nhữngcấu trúcthiếtkế khéoléo.Thídụ, toàn bộ những tấm thảm tàng hình đã
báo cáo ở bước sónghồng ngoại, trong đó có haiphiên bản đẹp đẽ trình bày trên
hình 2, đều là đẳng hướng và phi từ tính, và mục tiêu duynhất trongviệchiện thực
hóa làthỏa mãn tínhkhông đồng nhất theoyêu cầu. Tuy nhiên, vấn đề là vậtliệu
càng cóíttính chất thì cấu trúc phải càng phức tạpvà tínhtoán tỉ mĩ. Ngoài ra, việc
bổ sung cáctínhchấtbằngcáchthaotáclêncấu trúc làm tổn hại đến sự tàng hình:
những dụng cụ thuđượcbiểu hiện sự tán xạ khác không(nói đại khái là chúng ít
nhiều cóthể nhìnthấy) và chúngchỉ hoạt động đốivới ánh sángcó một hướng
chiếusáng và hướng phân cựcnhất định.
Nhưng còn có những lựa chọn nào khác nữa hay không? Xétthách thức
mênh mông củaviệc đạt tới một phản ứng từ tínhcó thể điều khiểncho sóng ánh
sáng,chúngta buộc phải chuyển sang sự lựa chọn dễ hơn của việc biến đổi nhân
tạo hoặc là tínhđồng nhất, hoặc làtính đẳng hướng. Từ quanđiểm vi chế tạo, xử lí
tính khôngđồng nhất,thường thu được bằng cách kết hợp haichất liệu với tỉ lệ
phần trăm bắt buộc, dườngnhư dễ làm hơn làxử lí tínhdị hướngvì tính dị hướng

thường phụ thuộcvào những hạtcóhìnhdạngsắp xếp theomột kiểu có trật tự.
(Hãy nghĩ trộn chung gạo với đậu dễ như thế nào, nhưngsẽ khó biết bao nhiêu nếu
muốn xếp từng hạt gạomộttheomộthướng đặc biệt nào đó)