by
1. Chiết suất âm
Ở quang hình học, ta biết rằng trong môi trường đồng nhất, tia sáng luôn đi thẳng, còn khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường, tia sáng bị gãy, tức là khúc xạ. Thí dụ tia sáng đi từ không khí vào thủy tinh, gọi i là góc tới, r là góc khúc xạ, tỉ số n = sin i/ sinr = 1,4 là chiết suất của môi trường thủy tinh đối với không khí.
Tùy theo đặc điểm, tính chất của hai môi trường, tia khúc xạ có thể bị gãy về phía gần với pháp tuyến của mặt phân cách, tức là góc r nhỏ hơn góc i (n > 1), hoặc bị gãy về phía xa với pháp tuyên, tức là góc r lớn hơn góc i (n < 1), nhưng không bao giờ tia khúc xạ lại bị gãy về phía âm, tức là r < 0 (n < 0) . Vì vậy lẽ thường thì vật liệu nào cũng có chiết suất n dương, (hình 1)
Tuy nhiên từ đầu năm 2000, báo chí khoa học trên thế giới rầm rộ đưa tin là có thể có vật liệu có chiết suất âm và gọi đó là “siêu vật liệu” (metamaterial) và để chỉ rõ chữ “siêu” ở đây có nghĩa là có chiết suất âm, người ta thêm vào cụm từ siêu vật liệu, cụm từ chiết suất âm (negative index), tức là “siêu vật liệu chiết suất âm”, tiếng Anh là “negative index metamaterials”, viết tắt là NI-MM.
2. Trường hợp nào vật liệu có chiết suất âm.
Để rõ hơn về vật liệu này, ta xét những gì xảy ra khi ánh sáng đi vào một môi trường như thủy tinh. Ánh sáng là sóng điện từ, đó là sự lan truyền rất ăn nhịp của dao động vectơ điện trường
và vectơ từ trường
, hai vectơ này luôn vuông góc nhau và vuông góc với phương truyền sóng. Khi sóng điện từ đi vào vật liệu, thí dụ thủy tinh, điện tử của các nguyên tử cấu tạo nên vật liệu bị sóng điện từ tác dụng: một mặt, các điện tử này phải dao động thẳng “đáp ứng” với điện trường
biến thiên, một mặt phải dao động quay đáp ứng từ trường
biến thiên. Dao động của các điện tử này lại tạo ra sóng điện từ gửi đi theo một phương nào đó, đó là tia khúc xạ. Hai đại lượng của môi trường, ở đây là thủy tinh, đặc trưng cho hai kiểu dao động đó là độ điện thẩm ε và độ từ thẩm µ của môi trường. Tính toán cho thấy chiết suất n của môi trường liên quan đến ε và µ theo công thức:
Đối với các vật liệu thông thường thì ε và µ lớn nhỏ khác nhau nhưng luôn là dương và thực tế n luôn dương nên trong công thức lý thuyết trên, người ta chỉ lấy dấu +, không ai để ý đến dấu -
Năm 1968 nhà vật lý lý thuyết người Nga là Veselago chứng minh rằng trong trường hợp vật liệu có ε và µ đều âm thì phải lấy dấu - trước
nghĩa là n < 0 , trường hợp này vật liệu có chiết suất âm.
Nhưng ít ai để ý đến cách chứng minh có vẻ lý thuyết này vì người ta cho rằng thực tế không xảy ra, không bao giờ có vật liệu cả ε và µ đều âm cả.
Vật liệu có ε và µ âm có nghĩa là điện tử trong vật liệu đó không chuyển động theo chiều tác động thông thường của điện trường và từ trường mà ngược lại, chuyển động theo chiều chống lại lực tác động. Nhưng suy nghĩ kỹ lưỡng sâu sắc hơn thì không loại trừ khả năng vật chuyển động ngược lại chiều lực bên ngoài tác động.
Hãy hình dung ta dùng tay đẩy cái đu khi đẩy ra khỏi vị trí cân bằng rồi thả tay ra, cái đu dao động theo chu kỳ riêng của nó, chu kỳ này phụ thuộc kết cấu của cái đu (dài, ngắn, điểm treo ở đâu...). Đẩy cái đu không liên tục mà theo nhịp chuyển động của cái đu, cái đu ngày càng dao động mạnh. Khi cộng hưởng cái đu dao động mạnh theo đúng chu kỳ riêng của nó, ăn nhịp với tác dụng của bàn tay đẩy. Nhưng khi cái đu đang dao động cộng hưởng như vậy, nếu tay đẩy cái đu không theo nhịp, lực của tay đẩy không tác động kích thích dao động mà ngược lại cái đu chống lại lực đẩy của bàn tay.
Tương tự nếu vật liệu gồm nhiều nguyên tử và điện tử trong nguyên tử có tần số dao động riêng thì khi sóng điện từ đến kích thích có cùng tần số đó thì có dao động cộng hưởng của các điện tử trong nguyên tử. Nếu ta chiếu vào vật liệu sóng điện từ có tần số hơi khác với tần số cộng hưởng điện tử sẽ chống lại chiều hướng tác dụng của sóng điện từ này. Lúc đó vật liệu có ε và µ âm. Nói cách khác đối với sóng điện từ này, vật liệu có chiết suất âm. Vì vậy để có chiết suất âm thì những “nguyên tử”, cấu tạo nên vật liệu này phải làm sao cho khi tác dụng sóng điện từ thì điện tử trong “nguyên tử” đó phải dao động cộng hưởng kể cả về điện cũng như về từ. Thực tế đối với ánh sáng nhìn thấy tức là sóng điện từ bước sóng nhỏ hơn micro mét không có kim loại hay vật liệu tự nhiên nào đáp ứng yêu cầu trên.
3. Tạo ra vật liệu có chiết suất âm
Vào cỡ đầu năm 2000, nhiều nhà khoa học, nổi bật nhất là nhà vật lý Pendry người Anh đề xuất cách làm vật liệu có chiết suất âm bằng cách làm các “nguyên tử” nhân tạo gồm dây điện (Wire) và vòng dây hở cộng hưởng SRR (split ring resontor) cách nhau đều đặn trong không gian (hình 2).
Ở quang hình học, ta biết rằng trong môi trường đồng nhất, tia sáng luôn đi thẳng, còn khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường, tia sáng bị gãy, tức là khúc xạ. Thí dụ tia sáng đi từ không khí vào thủy tinh, gọi i là góc tới, r là góc khúc xạ, tỉ số n = sin i/ sinr = 1,4 là chiết suất của môi trường thủy tinh đối với không khí.
Tùy theo đặc điểm, tính chất của hai môi trường, tia khúc xạ có thể bị gãy về phía gần với pháp tuyến của mặt phân cách, tức là góc r nhỏ hơn góc i (n > 1), hoặc bị gãy về phía xa với pháp tuyên, tức là góc r lớn hơn góc i (n < 1), nhưng không bao giờ tia khúc xạ lại bị gãy về phía âm, tức là r < 0 (n < 0) . Vì vậy lẽ thường thì vật liệu nào cũng có chiết suất n dương, (hình 1)
Hình 1. Khúc xạ thường và khúc xạ về phía âm
2. Trường hợp nào vật liệu có chiết suất âm.
Để rõ hơn về vật liệu này, ta xét những gì xảy ra khi ánh sáng đi vào một môi trường như thủy tinh. Ánh sáng là sóng điện từ, đó là sự lan truyền rất ăn nhịp của dao động vectơ điện trường
và vectơ từ trường, hai vectơ này luôn vuông góc nhau và vuông góc với phương truyền sóng. Khi sóng điện từ đi vào vật liệu, thí dụ thủy tinh, điện tử của các nguyên tử cấu tạo nên vật liệu bị sóng điện từ tác dụng: một mặt, các điện tử này phải dao động thẳng “đáp ứng” với điện trườngbiến thiên, một mặt phải dao động quay đáp ứng từ trườngbiến thiên. Dao động của các điện tử này lại tạo ra sóng điện từ gửi đi theo một phương nào đó, đó là tia khúc xạ. Hai đại lượng của môi trường, ở đây là thủy tinh, đặc trưng cho hai kiểu dao động đó là độ điện thẩm ε và độ từ thẩm µ của môi trường. Tính toán cho thấy chiết suất n của môi trường liên quan đến ε và µ theo công thức:Năm 1968 nhà vật lý lý thuyết người Nga là Veselago chứng minh rằng trong trường hợp vật liệu có ε và µ đều âm thì phải lấy dấu - trước
nghĩa là n < 0 , trường hợp này vật liệu có chiết suất âm.Nhưng ít ai để ý đến cách chứng minh có vẻ lý thuyết này vì người ta cho rằng thực tế không xảy ra, không bao giờ có vật liệu cả ε và µ đều âm cả.
Vật liệu có ε và µ âm có nghĩa là điện tử trong vật liệu đó không chuyển động theo chiều tác động thông thường của điện trường và từ trường mà ngược lại, chuyển động theo chiều chống lại lực tác động. Nhưng suy nghĩ kỹ lưỡng sâu sắc hơn thì không loại trừ khả năng vật chuyển động ngược lại chiều lực bên ngoài tác động.
Hãy hình dung ta dùng tay đẩy cái đu khi đẩy ra khỏi vị trí cân bằng rồi thả tay ra, cái đu dao động theo chu kỳ riêng của nó, chu kỳ này phụ thuộc kết cấu của cái đu (dài, ngắn, điểm treo ở đâu...). Đẩy cái đu không liên tục mà theo nhịp chuyển động của cái đu, cái đu ngày càng dao động mạnh. Khi cộng hưởng cái đu dao động mạnh theo đúng chu kỳ riêng của nó, ăn nhịp với tác dụng của bàn tay đẩy. Nhưng khi cái đu đang dao động cộng hưởng như vậy, nếu tay đẩy cái đu không theo nhịp, lực của tay đẩy không tác động kích thích dao động mà ngược lại cái đu chống lại lực đẩy của bàn tay.
Tương tự nếu vật liệu gồm nhiều nguyên tử và điện tử trong nguyên tử có tần số dao động riêng thì khi sóng điện từ đến kích thích có cùng tần số đó thì có dao động cộng hưởng của các điện tử trong nguyên tử. Nếu ta chiếu vào vật liệu sóng điện từ có tần số hơi khác với tần số cộng hưởng điện tử sẽ chống lại chiều hướng tác dụng của sóng điện từ này. Lúc đó vật liệu có ε và µ âm. Nói cách khác đối với sóng điện từ này, vật liệu có chiết suất âm. Vì vậy để có chiết suất âm thì những “nguyên tử”, cấu tạo nên vật liệu này phải làm sao cho khi tác dụng sóng điện từ thì điện tử trong “nguyên tử” đó phải dao động cộng hưởng kể cả về điện cũng như về từ. Thực tế đối với ánh sáng nhìn thấy tức là sóng điện từ bước sóng nhỏ hơn micro mét không có kim loại hay vật liệu tự nhiên nào đáp ứng yêu cầu trên.
3. Tạo ra vật liệu có chiết suất âm
Vào cỡ đầu năm 2000, nhiều nhà khoa học, nổi bật nhất là nhà vật lý Pendry người Anh đề xuất cách làm vật liệu có chiết suất âm bằng cách làm các “nguyên tử” nhân tạo gồm dây điện (Wire) và vòng dây hở cộng hưởng SRR (split ring resontor) cách nhau đều đặn trong không gian (hình 2).
Hình 2. Siêu vật liệu nhân tạo
Kết quả là có được siêu vật liệu nhưng chỉ ứng với sóng điện từ có bước sóng nhất định cỡ trên dưới milimet. Giáo sư Pendry cũng đưa ra ý kiến có thể có nhiều ứng dụng đặc biệt của siêu vật liệu do tính chất có chiết suất âm của chúng. Hai thí dụ điển hình là:
a. Làm siêu thấu kính hay thấu kính phẳng (flat lens)
Ở vật liệu có chiết suất dương thông thường như thủy tinh, tia khúc xạ đi về phía dương nên muốn hội tụ mặt thấu kính phải lồi.
Ở vật liệu có chiết suất âm, dò tia khúc xạ đi về phía âm, nên nếu chọn vật liệu có chiết suất n = -1 để làm tấm phẳng (hình 3), những tia sáng đi từ một điểm của vật sẽ tập trung vào một điểm ở giữa tấm phẳng siêu vật liệu và điểm này sẽ cho ảnh là một điểm ở phía bên kia của siêu thấu kính. Như vậy là tấm phẳng siêu vật liệu làm đúng chức năng của một thấu kính tạo ảnh. Tuy tỉ lệ phóng đại chỉ là 1:1 nhưng ảnh này có nhiều ưu điểm đặc biệt, thí dụ có thể từ đó chế tạo ra kính hiển vi quang học độ phân giải không bị hạn chế vì nhiễu xạ
Hình 3. Thấu kính phẳng
a) Tia khúc xạ đối với vật liệu thường.
b) Tia khúc xạ đối với vật liệu chiết suất âm
c) Tạo ảnh qua thấu kính phẳng siêu vật liệu: một điểm của vật ứng với 1 điểm của ánh.
b.Tàng hình
Muốn cho một vật không ai trông thấy được thì những tia sáng chiếu đến vật phải bằng một cách nào đó đi ra khỏi vật theo đường đi cũ, không bị phản xạ, cũng không đi lệch ra ngoài. Có vật hay không có vật ánh sáng vẫn đi theo đường cũ, mắt không nhận biết được, vật bị tàng hình.
Ngưdi ta đề xuất cách tàng hình bằng siêu vật liệu như sau (hình 4). Làm một quả cầu rỗng vỏ dày bằng siêu vật liệu (hình 4). Ánh sáng đến quả cầu bị uốn cong trong vỏ quả cầu cuối cùng đi ra mà không thay đổi gì cả. Tất nhiên như vậy thì người ngồi trong quả cầu hay bất cứ vật gì trong đó là không ai có thể nhìn thấy được. Đó là quả cầu tàng hình làm bằng siêu vật liệu.
Hình 4. Tàng hình
Tia sáng đến đi vòng quanh trong vỏ cầu siêu vật liệu và đi ra theo hướng cũ. Vật liệu bên trong quả cầu được tàng hình.
Ánh sáng nhìn thấy có bước sóng trong khoảng từ 0,4 đến 0,7 micromet. Tìm được siêu vật liệu có chiết suất âm đối với cả dải bước sóng như vậy là cực kỳ khó hiện nay chưa thực hiện được. Tuy nhiên có thể tìm được siêu vật liệu ứng với sóng điện từ có bước sóng dài hơn thì dụ sóng vô tuyến, sóng rada.
Từ đầu những năm 2000, chế tạo siêu vật liệu dùng cho tàng hình là một hướng rất sôi nổi nhưng chỉ mới đạt được một số kết quả nhất định.
Còn nhiều hướng ứng dụng rất kỳ lạ khác của siêu vật liệu chiết suất âm. Nhưng đặc biệt nhất là việc mở rộng khái niệm chiết suất và chiết suất âm ra ngoài phạm vi sóng điện từ. Thí dụ âm thanh là sóng cơ truyền trong không khí, trong nước, trong vật rắn. Động đất cũng là một dạng truyền sóng cơ từ tâm chấn ở sâu trong lòng đất đến một vùng nào đó, làm hư hỏng nhà cửa, công trình xây dựng ở vùng đó. Nghiên cứu đường đi của các loại sóng này, những yếu tố làm cho chúng thay đổi đường đi khi qua mặt phân cách cũng là nghiên cứu về chiết suất ứng với các loại sóng đó. Từ đấy có thể chế tạo vật liệu có chiết suất âm đối với các loại sóng này. Cũng từ đó có thể đưa đến ứng dụng, thí dụ siêu vật liệu tàng hình đối với sóng động đất để tránh được động đất, tàng hình đối với sóng âm để cách âm v.v...
Tác giả: Nguyễn Xuân Chánh
0 comments: