Tweet
Kỹ thuật tàng hình xoay quanh việc ngăn chận hay giảm thiểu những luồng sóng radar phản xạ từ mục tiêu bị theo dõi. Mục tiêu sẽ tàng hình khi không còn sóng phản xạ. Kỹ thuật này bao gồm việc thiết kế bề mặt để sóng bị tán xạ không quay về nguồn quan sát, hay các phương thức chế tạo vật liệu hấp thụ radar để giảm thiểu hoặc triệt tiêu sóng phản xạ. Gần đây, khái niệm "siêu vật liệu" với hiệu ứng tàng hình là một đề tài nghiên cứu lớn...
Ý nghĩa vật lý của hiện tượng tàng hình (hay là "Chế ngự những đường đi của sóng điện từ")
Tóm tắt:
Tàng hình là giấc mơ ngàn đời của con người được thể hiện qua nhiều truyện thần thoại và những tiểu thuyết viễn tưởng mọi thời đại. Tàng hình cũng là niềm mơ ước của các chiến lược gia quân sự và nhà nghiên cứu tàng hình học. Nhu cầu che "mắt thần" radar của đối phương sản sinh ra kỹ thuật tàng hình. Kỹ thuật tàng hình xoay quanh việc ngăn chận hay giảm thiểu những luồng sóng radar phản xạ từ mục tiêu bị theo dõi. Mục tiêu sẽ tàng hình khi không còn sóng phản xạ. Kỹ thuật này bao gồm việc thiết kế bề mặt để sóng bị tán xạ không quay về nguồn quan sát, hay các phương thức chế tạo vật liệu hấp thụ radar để giảm thiểu hoặc triệt tiêu sóng phản xạ. Gần đây, khái niệm "siêu vật liệu" với hiệu ứng tàng hình là một đề tài nghiên cứu lớn hấp dẫn không ít sự chú ý và cũng gây ra những cuộc tranh cãi trong cộng đồng nghiên cứu khoa học. Hơn nửa thế kỷ qua, các nhà khoa học đã bẻ ngoặt, uốn cong những đường đi của sóng điện từ (bao gồm cả ánh sáng), thậm chí hấp thụ năng lượng của nó cho mục đích tàng hình. Trên vấn đề an ninh quốc gia, kỹ thuật này là cơ mật quốc phòng nhưng nó lại đứng trên nền tảng của các quy luật vật lý công khai. Mục đích của bài viết này nhằm giải thích những quy luật đó. Bài viết không liên quan đến kỹ năng "tàng hình" của các nhà ảo thuật.
1. Tàng hình: một khái niệm nhiều thú vị
"Tàng hình" là một yếu tố không thể thiếu trong những truyện thần thoại hay tiểu thuyết viễn tưởng từ cổ chí kim, từ Đông sang Tây. Nó được xem như một phép thần thông khơi dậy sự tưởng tượng cuả độc giả và đưa người đọc không phân biệt trẻ già vào một thế giới huyền hoặc, không tưởng đầy thú vị. Từ những nàng kiều nữ hồ ly của "Liêu trai chí dị" hiện về sống bên người tình thư sinh trong đêm khuya rồi biến đi lúc hừng sáng để lại chàng học trò thương nhớ cuồng si, đến cái nón của Perseus và chiếc nhẫn của Gyge trong thần thoại Hy Lạp mà ai mang vào thì sẽ có phép màu "hô biến", hay chiếc áo choàng "tàng hình" của Harry Potter được làm từ những vật liệu thần bí tìm thấy ở tận miền cực Đông thế giới, tàng hình tiếp tục mê hoặc con người qua nhiều thế hệ. Quyển tiểu thuyết khoa học viễn tưởng "Invisible Man" (Người vô hình) của H. G. Wells xuất bản vào cuối thế kỷ 19 được tác giả thêm vào một chút "hương vị" khoa học, kể một câu chuyện về một nhà khoa học đã làm một loạt phản ứng sinh hóa học biến những phân tử của tế bào và cơ thể của ông ta trở nên trong suốt như không khí.
Những sự kiện trong khoa học viễn tưởng thường dựa trên những nguyên lý khoa học đã biết, nhưng khi gặp phải một tình huống mà khoa học chưa có câu trả lời thì tác giả sẽ thả hồn vào sự tưởng tượng riêng của mình và tùy tiện định đoạt hướng đi tương lai của khoa học cốt sao cho thích hợp với sự diễn biến câu chuyện của quyển tiểu thuyết. Lối suy diễn này ít nhiều có những gắn bó với các tri thức khoa học và đã thoát ra khỏi cái khung thô thiển trong các câu chuyện thần thoại. Sự liên hệ giữa viễn tưởng và khoa học vì vậy trong một chừng mực nhất định là một trao đổi hai chiều. Các nhà khoa học cũng rất hào hứng trước các sự kiện viễn tưởng, nhưng định luật khoa học là vành đai bó buộc tư duy của họ phải đi vào khuôn phép. Có nhiều phát minh của nhân loại một cách vô tình hay cố ý đã hiện hữu trong tiểu thuyết viễn tưởng trước khi chúng là hiện thực. Jules Verne đã viết về máy in fax, tàu ngầm, tàu vũ trụ, thám hiểm cung trăng có hơn một trăm năm trước khi những sự kiện này thực sự hiện hữu hay được phát minh. Cái thang trời leo lên tận mây xanh hay việc thuộc địa hóa các hành tinh đã là những chất liệu viễn tưởng nhưng đang được con người thực hiện.
Tàng hình trong ảo thuật là một phạm trù "bí mật" chỉ có những người hành nghề trong cuộc cùng giao ước với nhau để bảo mật các quy luật hay kỹ xảo nghề nghiệp. Không ít những ảo thuật gia đã làm khán giả thán phục và sửng sốt khi họ có thể biến mất rồi xuất hiện một nơi khác hay làm "tàng hình" nguyên một toa xe lửa. Có thể họ vận dụng quy luật khoa học đơn giản có liên quan đến ánh sáng hay màu sắc đánh lừa con mắt khán giả. "Tàng hình" trong quân sự cũng là một phạm trù bí mật nếu không muốn nói là cực mật của nền an ninh quốc gia. Nhưng hiện tượng tàng hình được áp dụng trong quân sự không vượt ra ngoài các quy luật vật lý liên quan đến sự tương tác giữa ánh sáng hay nói rộng hơn sóng điện từ với vật chất. Những quy luật vật lý là tài sản chung của loài người không thuộc về ai, hiển nhiên và rõ ràng. Tuy nhiên, cũng như kỹ xảo nghề nghiệp của ảo thuật gia, trong tàng hình quân sự các "kỹ xảo" làm nên vật liệu tàng hình và hiệu năng của chúng là những cơ mật quốc gia.
"Tàng hình" thường được hiểu là "biến mất" theo quan điểm thông thường. Nhưng trong khoa học, khi ta "tàng hình" không có nghĩa là ta "tan biến" vào một cõi mơ hồ... Ta vẫn lừng lững đứng đó nhưng người không thấy ta! Ngụy trang bằng sự hòa hợp màu sắc với môi trường xung quanh cũng có thể xem là một cách tàng hình dù là thô sơ. Thí dụ như việc hóa trang mặc áo đen đi trong màn đêm, mặc áo trắng đi dật dờ trên tuyết hay áo rằn ri khi luồn lách trong bụi rậm (Hình 1). Thiên nhiên đã làm điều này từ ngàn xưa. Một số loài động vật, các loài cá thậm chí côn trùng đã được tạo hóa cho khả năng biến đổi màu sắc, hoa văn ngụy trang giống với môi trường xung quanh để bảo vệ bản thân hay phục kích con mồi. Con tắc kè hoa có lẽ là đỉnh cao của việc thay đổi và hòa hợp màu sắc với cây cỏ.
Hình 1: Người "tàng hình" bằng sơn đứng cạnh bánh xe trưóc (Credit: Liu Bolin).
Hiện tượng tàng hình hay hiện hình thật ra là kết quả của sự tương tác giữa ánh sáng (hay sóng điện từ ở nghĩa rộng) và vật chất. Ta nhìn thấy được mọi vật quanh ta là do sự phản xạ của ánh sáng và khi những tia sáng phản xạ đập vào mắt ta, thị giác cho ta sự cảm nhận màu sắc của những gì hiện hữu trong thế giới xung quanh. Nhưng khi màn đêm buông xuống hay ánh đèn trong một căn phòng phụt tắt thì mọi vật "tàng hình" vì không còn sự phản xạ của ánh sáng. Khi ánh sáng, hay nói rộng hơn là sóng điện từ, tác động lên vật chất thì có ba trường hợp xảy ra: (1) phản xạ (reflection), truyền xạ (transmission) và hấp thụ (absorption) (Hình 2).
Hình 2: Sự tương tác giữa sóng điện từ (hay ánh sáng) với vật chất. (1) Sóng tới, (2) Sóng phản xạ, (3) Sóng truyền xạ và (4) Hấp thụ.
Như vậy, nếu muốn một vật tàng hình thì ta phải làm sao triệt tiêu được sự phản xạ của ánh sáng hay điều chỉnh hướng phản xạ của ánh sáng đi ra xa người quan sát. Ta có thể cảm nhận việc điều chỉnh hướng phản xạ ánh sáng trong cuộc sống hằng ngày. Khi ta đứng trực diện trước một tấm gương phẳng, ta sẽ nhìn thấy ta trong gương. Nhưng khi ta nghiêng tấm gương với một góc độ thích hợp, ta không còn thấy ta, ta đã "biến mất" trong gương. Tuy nhiên, khi ta có một cái gương hình cầu, dù có quay gương theo hướng nào hay ta di chuyển bất kỳ ở vị trí nào lúc nào cũng thấy ta hiện trong gương. Như vậy, đối với mặt cầu ở vị trí nào ánh sáng cũng có thể phản xạ đến người quan sát, trong khi mặt phẳng chỉ có một góc duy nhất làm ánh sáng phản xạ trở lại nơi người quan sát là khi ánh sáng tới đụng vào tấm gương ở góc 90 độ (khi ta đứng trực diện thẳng góc với tấm gương) (Hình 3). Đây là một thường thức nhưng lại là một phương pháp tạo dáng cơ bản cho máy bay và tàu chiến tàng hình. Từ kết quả này ta thấy ngay nếu một vật thể được nối kết một cách hợp lý từ các mặt phẳng thì vật này có khả năng làm phản xạ sóng radar đi ra xa người quan sát hơn vật thể hình cầu.
Hình 3: Sóng tới và sóng phản xạ của (a) mặt phẳng và (b) mặt cầu. Chỉ có sóng tới chạm vào mặt phẳng ở góc 90° sẽ phản xạ trở lại nguồn phát.
Radar là công cụ rất hiệu quả để định vị, nhận dạng và truy tìm máy bay và tàu bè tầm xa. Sóng radar dùng trong quân sự và dân sự thường là sóng vi ba cũng có những hành xử và bản chất như ánh sáng, cùng là sóng điện trường chỉ khác nhau về tần số (hay bước sóng). Đó là loại sóng điện từ mà ta dùng trong lò vi ba để nấu ăn, hâm nóng hay dùng để nói chuyện qua điện thoại di động (Hình 4). Nhu cầu làm giảm thiểu hay triệt tiêu sóng phản xạ radar để "hô biến" đưa đến việc triển khai vật liệu hấp thụ radar hay còn gọi là vật liệu tàng hình. Cuối cùng, một vật liệu đang làm chấn động cộng đồng nghiên cứu khoa học có tên là "siêu vật liệu" (metamaterial) mà các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này tin rằng cái áo choàng làm bằng siêu vật liệu sẽ còn hiệu nghiệm hơn cái áo choàng của Harry Potter, khiến cho người mặc tàng hình trước "mắt thần" radar cũng như mắt thịt của người trần. Có thật hay không? Chúng ta hãy đi vào những phần kế tiếp để hiểu rõ các quy luật vật lý đã làm nền tảng trong việc tạo dáng tàng hình, cũng như các nguyên lý chế tạo vật liệu hấp thụ radar và siêu vật liệu.
Hình 4: Các loại sóng điện từ. Wavelength: bước sóng, Frequency: tần số, Radio waves: sóng radio, FM radio and TV: sóng FM radio và tivi, Microwaves: vi ba, Infrared: hồng ngoại, Optical IR: hồng ngoại quang học, Ultraviolet: tử ngoại, Optical UV: tử ngoại quang học, X-radiation: bức xạ X, Gamma radiation: bức xạ gamma, Visible spectrum: phổ ánh sáng thấy được, Red: đỏ, Green: xanh lục, Blue: xanh lam, Crimson: đỏ thắm, Yellow: vàng, Cyan: xanh cyan, violet: tím (Nguồn: Google).
2. Hình dạng vật thể và tiết diện radar
Thiết bị radar phát ra sóng điện từ ở các tần số khác nhau, từ megahertz (MHz) đến gigahertz (GHz), tùy theo nhu cầu như giám sát (surveillance), theo dõi (tracking), định vị hay truy lùng mục tiêu. Khi sóng được phát ra từ nguồn phát chạm vào một vật thì sóng bật lại do sự phản xạ. Làn sóng phản xạ được ghi nhận bởi một đài thu sóng và từ đó người ta có thể định vị và nhận dạng mục tiêu. Trên màn hình radar ở trạm thu sóng, sóng phản xạ cho biết độ lớn của mục tiêu. Thuật ngữ chuyên môn của độ lớn này là "tiết diện radar" (radar cross section). Nếu mục tiêu là một vật thể làm từ vật liệu giống nhau thì đương nhiên độ lớn của vật càng to thì tiết diện radar càng to.
Sự ra đời của radar trong Thế Chiến thứ 2 đã mang đến nhiều ứng dụng trong dân sự lẫn quốc phòng. Trong các ứng dụng dân sự tiết diện radar to là điều kiện cần thiết để theo dõi và giám sát máy bay hành khách hay thương thuyền trên biển khơi. Ngược lại, trong ứng dụng quân sự để tránh sóng radar truy lùng của đối phương, máy bay và các chiến hạm phải có tiết diện radar càng nhỏ càng thuận lợi. Từ nhu cầu lẩn tránh con mắt thần của phe địch, ngày khai sinh của radar hơn 60 năm trước cũng là ngày khai sinh của kỹ thuật tàng hình như một chiêu thức hóa giải radar. Kỹ thuật này bao gồm nhiều nghiên cứu lý thuyết về tác động của sóng điện từ lên trên bề mặt vật chất nhằm tối ưu hoá các vật liệu hấp thụ radar (radar absorbing materials, RAM) cũng như việc thiết kế bề mặt để vật thể có một tiết diện radar cực nhỏ. Khi tiết diện tiến đến zero, thì ta thực sự "hô biến" trên màn hình radar của đối phương!
Các nhà tàng hình học còn có một tham vọng cao hơn là tạo ra một vật thể có tiết diện radar lớn hoặc nhỏ tùy lúc theo ý muốn của người điều khiển. Có nghĩa là một chiếc đấu cơ hay chiến hạm sẽ có khả năng "tàng hình" hay "hiện hình" trước radar của đối phương. Nghe như người hùng trong truyện cổ tích có bao phép thần thông, nhưng đây là mục tiêu của những nhà tàng hình học nhắm đến. Như chiến lược gia Tôn Tử đã nói hơn hai ngàn năm trước "Việc binh là việc giả dối", thật là một đột phá tuyệt vời nếu các nhà khoa học quân sự có thể làm chiến đấu cơ hay chiến hạm biết "giả dối", hiện hình trước con mắt radar của đối phương trong thời bình và khi lâm trận tấn công trong thời chiến nó sẽ đổi sang tư thế tàng hình. Việc này có thực sự khả thi không? Chúng ta hãy đi theo trình tự từ dễ đến khó, hiểu những quy luật thiết kế vật "tàng hình" từ đơn giản đến phức tạp.
Những ai đã từng có kinh nghiệm về đầu tư địa ốc đều biết ba điều tâm niệm vàng ngọc khi mua nhà đất là "địa điểm", "địa điểm" và... "địa điểm"; thì trong việc tạo dựng chiếc máy bay và tàu chiến tàng hình những nhà khoa học và kỹ sư thiết kế cũng có ba chiến lược quan trọng là "hình dáng", "hình dáng" và... "hình dáng"! Việc tạo dáng để giảm thiểu sóng phản xạ radar là điều kiện tiên quyết của kỹ thuật tàng hình và những yếu tố tàng hình khác sẽ được lần lượt "hạ hồi phân giải". Thí dụ về cái gương phẳng và gương hình cầu ở bên trên cho ta một khái niệm cơ bản về thiết kế. Mặt phẳng với một độ nghiêng thích hợp sẽ phản xạ sóng radar ra xa người quan sát (tức là nguồn phát radar) và mặt cầu phản xạ trở lại đúng ngay người quan sát (Hình 3). Thí dụ dễ hiểu này đưa ra một kết quả quan trọng là chớ có bao giờ thiết kế với mặt cầu nếu muốn vật thể tàng hình.
Việc định lượng tiết diện radar của vật thể từ đơn giản đến phức tạp trở thành một ngành đặc biệt của điện từ học. Vật thể đơn giản có nghĩa là những hình dạng đơn giản như mặt phẳng, hình cầu, hình trụ, hình nón, hình khối. Vật thể phức tạp là máy bay, tàu bè, xe hơi, con người, thú vật, chim muông, thậm chí côn trùng, lùm bụi, cây cỏ. Sự phản hồi của sóng radar từ một vật thể không phải đơn thuần chỉ là sự phản xạ mà còn bao gồm cả nhiễu xạ (diffraction) ở những đỉnh nhọn, đường mép của vật thể. Định lượng sóng phản hồi radar càng rắc rối khi hình thể của mục tiêu quan sát càng phức tạp và vì vậy người ta cần có một mô hình toán học tinh vi và lập trình vi tính thích hợp để tìm ra những đáp án. Và cái đáp án mong muốn cũng rất đơn giản là làm sao tìm ra một thiết kế tạo dáng tối ưu để cho một vật thể cực to nhưng có tiết diện radar cực nhỏ.
Vào thập niên 60 của thế kỷ trước, một nhà khoa học Nga trẻ tên là Petr Ufimtsev đã tạo ra một mô hình toán học để tính toán sự phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ (scattering) của sóng điện từ từ một vật thể được làm nên bởi các mặt phẳng với các độ nghiêng khác nhau. Thập niên 60 là điểm cao của chiến tranh lạnh, chính phủ Liên Xô lập ra nhiều tầng kiểm soát để bảo mật những tài liệu nhạy cảm có liên quan ít nhiều đến an ninh quốc gia. Nhưng thật không ngờ mô hình toán học của Ufimtsev được cho phép công bố rộng rãi tại Liên Xô và toàn thế giới. Sự sơ hở xảy ra có lẽ vì Ufimtsev là một nhà vật lý trẻ tuổi vô danh và mô hình toán của ông chỉ được các "cây đa, cây đề" của nhà cầm quyền Liên Xô đánh giá như là kết quả của một nghiên cứu cơ bản chung chung không có giá trị quốc phòng lẫn kinh tế.
Như một báu vật từ trên trời rơi xuống, khi bài báo cáo được dịch từ tiếng Nga sang tiếng Anh các chuyên gia tại hãng hàng không Lockheed (Mỹ) có mắt tinh đời nhanh tay vồ ngay lấy mô hình này, rồi từ đó triển khai thành một lập trình vi tính mang tên là Echo 1 để tìm lời giải cho mô hình Ufimtsev và tính toán tiết diện radar của chiếc máy bay làm từ các mặt phẳng. Những tính toán này cho thấy vật to không nhất thiết cho một tiết diện radar to nếu ta biết sắp xếp bề mặt làm giảm thiểu sự phản hồi sóng radar. Năm 1975, các chuyên gia Lockheed đã tìm ra một thiết kế tối ưu cho máy bay tàng hình có một tiết diện radar rất nhỏ vì những luồng sóng tới radar bị tán xạ ra xa người quan sát. Chỉ vài năm sau, không quân Mỹ cho chào đời chiến đấu cơ F-117 Nighthawk (Chim ưng đêm) với thân máy bay được lắp ghép với những mặt phẳng ba chiều (faceted surface) giống như chiếc máy bay giấy origami của trẻ con (Hình 5).
Hình 5: (a) F-117 Nighthawk với các mặt phẳng origami và (b) B-2 Spirit với rìa cánh tròn tránh nhiễu xạ và thân máy bay được tối ưu hóa cho hiệu quả khí động lực học và hiệu ứng tàng hình (Nguồn: Wikipedia).
Không thiếu gì những lời ca lãng mạn tôn vinh người hùng chiến sĩ phi công tung đôi cánh sắt, lái những chiếc chiến đấu cơ hiện đại trông rất ngầu gầm thét xé toạt không gian, đảo lượn trên khung trời xanh "lênh đênh ngàn mây trôi êm đềm", mang tới cho người em gái hậu phương sầu mộng biết bao niềm đam mê ngây ngất... Nhưng mặt sau của sự lãng mạn này chỉ là những sự kiện khoa học lạnh lùng và trần trụi. Việc đảo lượn của một chiếc máy bay siêu âm như chiến đấu cơ cần phải tuân thủ những nguyên lý của khí động lực học (aerodynamics). Tuy nhiên, mặt phẳng origami không phải là hình dạng đem lại những ưu thế khí động lực học cho việc thao tác, đảo lượn và gia giảm vận tốc.
Các chuyên gia tại công ty hàng không Northrop (Mỹ) tiếp tục triển khai lập trình của Lockheed tìm những lời giải toán học cho việc thiết kế bề mặt vừa có lợi điểm khí động lực học vừa có thể phân tán sóng phản xạ ra ngoài vùng kiểm soát radar của đối phương. Kết quả của những tính toán này là máy bay ném bom tàng hình B-2 Spirit với đôi cánh phẳng có bề mặt rất to và thân máy bay có hình dạng dài thon thả thỏa mãn yêu cầu của khí động lực học và hiệu quả tàng hình (Hình 5). Có thể nói B-2 là chiếc máy bay đỉnh cao của việc thiết kế đạt đến điểm tối ưu cho hai yêu cầu đối nghịch này. Khi điều kiện khí động lực học không còn là một đòi hỏi quan trọng, chẳng hạn như trong các chiến hạm tàng hình, những mặt phẳng origami vẫn là bề mặt được ưa chuộng vì nó dễ chế tạo, tiện lợi cho việc lắp ráp và ít tốn kém trong sản xuất (Hình 6).
Hình 6: Tàu chiến tàng hình Sea Shadow (Mỹ) với mặt phẳng origami
(Nguồn: Wikipedia).
Các nhà tàng hình học vẫn chưa dừng bước ở việc thiết kế hình dáng mà còn tiến thêm bước kế tiếp làm tiết diện radar của một vật thể càng nhỏ hơn. Vấn đề cũng là câu chuyện cũ xoay quanh việc giảm thiểu hoặc lý tưởng hơn là triệt tiêu luồng sóng phản xạ, nhiễu xạ từ thân máy bay. Khi một vật liệu có khả năng hấp thụ một phần hay toàn thể năng lượng sóng tới radar thì sóng phản xạ sẽ giảm thiểu hay hoàn toàn triệt tiêu. Kim loại vì tính dẫn điện rất cao phản xạ gần 100 % sóng radar. Bởi đặc tính nhẹ, cơ tính bền và dễ gia công, nhôm là một vật liệu thích hợp cho việc chế tạo các loại máy bay, và thép được dùng cho tàu bè. Như vậy, nếu không có một bề mặt đặc thù và một lớp sơn tàng hình thì máy bay hay chiến hạm sẽ có tiết diện radar rất lớn.
"Pháo đài bay" B-52 đã từng gầm thét trên bầu trời Việt Nam với lối thả bom rải thảm trong những năm chiến tranh khốc liệt và trên chiếc trường vùng Vịnh, thực ra chỉ một chiếc máy bay bình thường rất đỗi "thật thà" vì không được trang bị những phương tiện "giả dối" để tàng hình. Nếu đánh giá theo quan điểm tàng hình đòi hỏi những đặc tính giống như "ninja" mờ mờ ảo ảo với những hành xử im lìm "xuất quỷ nhập thần" thì B-52 là kẻ đội sổ! Chiếc máy bay ném bom này được người Mỹ liệt kê vào hạng máy bay chiến thuật (tactical) là một vật thể biết bay cao nhưng không biết ẩn hình, vừa ồn ào vừa to xác chỉ lấy sức mạnh đè người. B-52 có chiều ngang đôi cánh là 56 m (máy bay tàng hình B-2: 52 m) và chiều dài là 50 m (B-2: 21 m). Kích thước của B-52 và B-2 có thể coi như là ngang nhau nhưng tiết diện radar của B-52 có độ lớn là 100 m2 so với B-2 là 0,1 m2 (1000 lần nhỏ hơn). F-117 càng nhỏ hơn có trị số là 0,025 m2 (4.000 lần nhỏ hơn). Trên màn hình radar, B-2 hay F-117 có tiết diện tương đương với loài chim [1].
3. Vật liệu hấp thụ radar
Như đã đề cập ở trên, khi sóng điện từ chạm vào một vật thì sự phản xạ, truyền xạ và hấp thụ xảy ra (Hình 2). Muốn làm giảm phản xạ, ta cần gia tăng sự truyền xạ hay hấp thụ. Người vô hình trong quyển tiểu thuyết "Invisible Man" là một nhân vật có chiết suất giống như không khí. Tác giả quyển sách có một ý tưởng ngộ nghĩnh nhưng mang một chút màu sắc khoa học. Khi ánh sáng đi qua hai môi trường có chiết suất giống nhau thì sẽ không có sự phản xạ mà chỉ có sự truyền xạ 100% và nhân vật này trở nên trong suốt đối với ánh sáng; anh ta tàng hình. Sóng radar phần lớn truyền xạ qua thủy tinh, gốm sứ và plastics. Máy bay làm bằng thủy tinh, gốm sứ hay plastic sẽ tàng hình nhờ sự truyền xạ, nhưng chế tạo máy bay bằng các vật liệu này đây là việc không tưởng. Sóng radar cũng truyền xạ qua composite chứa sợi thủy tinh. Sợi thủy tinh bền chắc có thể làm vật liệu cho thân máy bay tàng hình. Nhưng máy móc, vật dụng và con người trong máy bay lại là những vật phản xạ. Giảm phản xạ bằng cách dùng vật liệu truyền xạ là một việc hoàn toàn không thực tế. Chọn lựa còn lại là hấp thụ năng lượng sóng radar để làm giảm thiểu hay triệt tiêu phản xạ. Sự hấp thụ này biến năng lượng sóng thành nhiệt.
Sóng radar thường nằm trong vùng vi ba (microwave) có tần số từ 1 – 18 GHz của phổ điện từ (Hình 4). Ở tần số này bước sóng có chiều dài từ milimét đến vài centimét. Để hiểu rõ sự phản xạ, truyền xạ và hấp thụ của sóng điện từ, ta không cần tưởng tượng mông lung xa vời mà hãy nhìn cái lò vi ba khiêm tốn trong nhà bếp. Lò phát sóng ở tần số 2,45 GHz (bước sóng: 12,2 cm) là tần sóng "anh em" của radar. Ở tần số này nước trong thức ăn như thịt cá, rau cải sẽ hấp thụ năng lượng vi ba và biến thành nhiệt. Kim loại là vật liệu phản hồi vi ba rất tốt. Vách lò kim loại phản xạ toàn bộ vi ba vào thức ăn. Cánh cửa lò được làm bằng thủy tinh để quan sát bên trong lò. Như đã đề cập ở trên, vi ba truyền xạ qua thủy tinh và lọt ra ngoài. Để có sự an toàn, người ta dùng vách kim loại với những lỗ nhỏ có đường kính vài milimét nhỏ hơn bước sóng vi ba (12,2 cm). Nó vừa là bức tường ngăn chặn sự rò rỉ vi ba ra ngoài vừa là cửa sổ quan sát. Thí dụ này cho thấy sự phản xạ từ bề mặt kim loại và sự hấp thụ năng lượng vi ba của một vật khi có điện tính hay từ tính thích hợp. Nước trong thức ăn có điện tính thích hợp cho việc hấp thụ vi ba ở tần số 2,45 GHz.
Trong Thế Chiến thứ 2, không quân Anh đã làm quân đội Đức quốc xã nhiều phen điêu đứng vì những chiến đấu cơ loại nhỏ có tên là Mosquito (Con muỗi). Những "Con muỗi" này bay nhanh, oanh tạc chính xác và làm đối phương điên đầu vì radar phòng không của Đức không nhìn thấy Mosquito! Những trận ra quân và chiến thắng của Mosquito trở thành huyền thoại của Thế chiến thứ 2 và là niềm tự hào của không quân Hoàng gia Anh. Các chiến tích và tự hào này chỉ dựa trên một sự kiện rất đỗi khiêm tốn và đơn giản là thân những chiến đấu cơ "Con muỗi" này được chế tạo bằng... ván ép (plywood). So với kim loại, gỗ là một vật liệu phản xạ sóng radar rất tồi và chính cái "tồi tệ" này mà radar của quân Đức không phát hiện kịp thời các lượt tấn công của "muỗi".
Sự thành công ngoài dự tưởng của chiến đấu cơ Mosquito là một ngẫu nhiên hơn là cố ý. Ngẫu nhiên chiến trường đã trở thành điều may mắn cho nhân loại. Trên luận điểm khoa học cái ngẫu nhiên này một cách gián tiếp cho thấy một điều hiển nhiên nhưng ít người chú ý là phản xạ của sóng radar rất khác nhau giữa nhôm và gỗ. Người Anh không có ý định chế tạo "Mosquito" như một loại máy bay tàng hình. Trong lúc nhôm đã là một vật liệu tuyệt vời chế tạo máy bay, thì việc sử dụng ván ép thật là một ý tưởng lạ lùng, kéo lùi lại kỹ thuật thiết kế thân máy bay trở lại thuở ban sơ của công nghệ hàng không, nhưng vì sự khan hiếm nhôm trong thời chiến họ phải dùng gỗ để thay thế. Gần 8.000 chiếc Mosquito đã được chế tạo và sử dụng trong Thế chiến thứ 2.
Sự khác nhau giữa gỗ và nhôm đã chứng minh rằng sự tương tác giữa sóng điện từ và vật liệu qua các hiện tượng như phản xạ, truyền xạ, hấp thụ, nhiễu xạ và khúc xạ đều tùy thuộc vào điện tính và từ tính của vật liệu đó. Điều này rất thật vì bản chất sóng điện từ, như cái tên đã diễn đạt và qua sự phát hiện của nhà vật lý học James Maxwell, là do sự hôn phối rất là hạnh phúc giữa điện trường và từ trường. Cho nên, tác dụng của sóng điện từ lên một vật liệu gây ra sự dao động lưỡng cực điện (electric dipole) hay lưỡng cực từ (magnetic dipole) của phân tử vật chất. Sự dao động của các lưỡng cực trở nên cực đại khi có sự cộng hưởng xảy ra ở một tần số nào đó tùy vào đặc tính của vật chất. Sự cộng hưởng đưa đến sự hấp thụ năng lượng sóng tối đa ở tần số đó và tan biến thành nhiệt như ta thấy nước trong thức ăn trong lò vi ba ở tần số 2,45 GHz. Mặc dù sự hấp thụ sóng, như ta thấy, là một hiện tượng xảy ra ở thang phân tử, nhưng người ta có thể thiết lập một công thức đơn giản để đo độ phản xạ và hấp thụ của sóng điện từ trên bề mặt các loại vật liệu ở các bước sóng (tần số) khác nhau dựa vào phương trình sóng điện từ nổi tiếng của Maxwell.
Ở đây người viết xin được mở ngoặc nói sơ lược về phương trình sóng điện từ của thiên tài James Maxwell người Scotland vào thế kỷ 19. Khi nói đến sóng điện từ người ta bắt buộc phải nói đến phương trình Maxwell. Bằng bốn công thức đơn giản nhưng súc tích, phương trình sóng Maxwell đã kết hợp điện trường và từ trường, hai thực thể khác biệt, để mô tả bản chất của sóng điện từ. Cái vĩ đại của phương trình này đã khiến cố giáo sư Richard Feynman (Nobel Vật lý 1965) phải thốt lên rằng "Một vạn năm sau hậu thế vẫn xem phương trình Maxwell là một phát hiện vĩ đại nhất của thế kỷ 19. So với nó, những sự kiện lịch sử khác cùng thời sẽ đi vào quên lãng như một việc tầm thường ở tỉnh lẻ". Phương trình Maxwell cho thấy những loại sóng khác nhau từ sóng radio có bước sóng cực dài hàng chục kilomét đến tia X, tia gamma năng lượng cao với bước sóng cực ngắn picomét (10-12 m) đều là bà con họ hàng được gọi chung là sóng điện từ. Phương trình Maxwell còn tính được vận tốc truyền sóng cũng là vận tốc truyền ánh sáng (khoảng 300.000 km/s). Từ sự tương đồng cơ bản này Maxwell đã kết luận ánh sáng thấy được bao gồm ánh sáng đỏ, vàng, xanh, tím, chẳng qua cũng là một vùng sóng trong phổ điện từ.
Sự vĩ đại của phương trình Maxwell là nó đã khai minh một loạt sự kiện khoa học mang tính đột phá có tầm vóc thời đại như: (1) thống nhất điện trường và từ trường, (2) thống nhất các loại sóng, (3) ánh sáng cũng là sóng điện từ và (4) đặt một nền tảng định lượng để lý giải sự tương tác giữa sóng điện từ và vật chất. Trong cuộc sống hiện đại, con người được "tắm" trong sóng điện từ. Không gian sinh hoạt của chúng ta tràn ngập sóng radio cho việc truyền thanh, truyền hình, sóng radar, sóng vi ba, sóng điện thoại và đương nhiên ánh sáng, tia hồng ngoại và tử ngoại từ mặt trời. Nếu không có phương trình sóng Maxwell có lẽ sẽ không có nền thiên văn học hiện đại và cũng sẽ không có những công cụ viễn thông từ những đài thu phát sóng khổng lồ, những tháp ăng-ten cao ngất ngưởng đến chiếc điện thoại di động nhỏ bé. Nó đã tạo một cuộc cách mạng trong các phương thức liên thông giữa con người và đồng loại mà còn nối kết con người với vũ trụ bao la.
Trở lại cái sườn gỗ của Mosquito. Gỗ đã được dùng thành công cho chiến đấu cơ Mosquito, vì gỗ tán xạ và hấp thụ sóng radar làm giảm độ phản xạ do độ dẫn điện của gỗ thấp, nhưng không ai muốn quay về thời mông muội của ngành hàng không. Sự ngẫu nhiên đầy may mắn này chỉ ra một nguyên lý thô sơ là ta phải dùng vật liệu có độ dẫn điện trung bình để gia tăng sự hấp thụ năng lượng sóng làm giảm sóng phản xạ. Việc nghiên cứu vật liệu hấp thụ sóng radar (radar absorbing materials, RAM) ra đời. Xuất phát từ phương trình Maxwell, việc định lượng độ phản xạ của sóng điện từ được diễn tả bằng một công thức đơn giản cho chúng ta những con số tùy theo điện tính, từ tính của vật liệu và tần số sóng. Điện tính được biểu hiện qua độ dẫn điện hay độ điện thẩm (permitivity) và từ tính được biểu hiện bằng độ từ thẩm (permeability) [2] (Phụ lục a). Uy lực của phương trình Maxwell tỏa sáng khi công thức của độ phản xạ ở vùng sóng radar (tần số 1 - 18 GHz) cho thấy sóng radar phản xạ gần như 100 % từ các bề mặt kim loại.
Sau Thế Chiến thứ 2 các chuyên gia tàng hình học vẫn không ngừng nghiên cứu vật liệu hấp thụ sóng radar. Hòa bình trở lại nhưng thế giới lại chìm đắm trong chiến tranh lạnh và nhu cầu "nhìn trộm" lẫn nhau thúc đẩy việc chế tạo những chiến máy bay trinh sát được phủ lớp sơn hấp thụ radar và có thể bay thật cao để tránh radar của đối phương. Từ công thức định lượng độ phản xạ, các nhà khoa học tính được độ dẫn điện (qua độ điện thẩm) và từ tính (độ từ thẩm) của vật liệu thích hợp cho việc hấp thụ trong vùng vi ba (tần số 1 đến 18 GHz). Họ xác nhận các loại bột carbon có độ dẫn điện thấp hay bột sắt (carbonyl iron), oxit sắt hay oxit hợp chất sắt (thí dụ: ferrite) có từ tính thích hợp. Họ chế ra một loại sơn chứa hạt carbon hay chứa bột sắt hay một phức hợp chứa cả hai. Lớp sơn sẽ được phủ lên thân máy bay với độ dày thường là 5 - 10 mm. Những vật liệu này hấp thụ 50 - 90 % năng lượng sóng radar trong vùng vi ba có tần số 1 - 18 GHz.
Lớp sơn dày chứa bột sắt, oxit sắt dễ bị rỉ sét và làm gia tăng trọng lượng của vật thể được phủ khá đáng kể. Yếu tố này gây ra nhiều điểm bất lợi trong khi tính bền của sơn và việc giảm trọng lượng thân máy bay, tàu thủy lúc nào cũng là nguyên lý hàng đầu của các thiết kế công nghệ. Ngoài ra, lớp sơn chỉ hấp thụ radar ở một tần số, nếu không may tần số radar của đối phương nằm ngoài tần số hấp thụ thì lớp sơn vô hiệu. Kết quả là ta mắc lưới radar, ở trong tầm nhìn của phe địch và vận mệnh của ta sẽ nằm trong bàn tay lông lá của đối phương đáng sợ!
Sự ra đời của sợi carbon (carbon fibres) vào thập niên 60 của thế kỷ trước tạo ra các composite có chất nền polymer và sợi carbon vừa nhẹ vừa bền cho các ứng dụng cấu trúc. Giống như hạt carbon, sợi carbon cũng có độ dẫn điện thích hợp cho việc hấp thụ vi ba nên composite sợi carbon vừa là vật liệu cấu trúc vừa là vật liệu tàng hình. Không có gì ngạc nhiên khi composite sợi carbon là một ứng viên sáng giá trong tất cả vật liệu cho chế tạo máy bay, tàu chiến tàng hình hiện đại.
Trong các ứng dụng thực tiễn, vật liệu lý tưởng cho việc hấp thụ radar cần một lúc ba điều kiện là bền, nhẹ và hấp thụ thật nhiều trên một băng tần thật rộng (tương phản với một tần số). Như vậy, các nhà khoa học giải quyết vấn đề này như thế nào? Chúng ta hãy đi vào các phần kế tiếp.
4. Polymer dẫn điện
Kể từ lúc tình cờ được khám phá vào năm 1975, hơn 30 năm qua polymer dẫn điện là một đề tài nghiên cứu sôi động trên mặt cơ sở lẫn ứng dụng. Những công trình nghiên cứu của vật liệu này đã được thu tóm trong một quyển sách tiếng Việt được xuất bản năm 2008 [3]. Polymer dẫn cũng đã từng được nghiên cứu như một vật liệu tàng hình đa năng và "thông minh" [4]. Tương tự như sợi carbon và bột carbon, polymer dẫn điện là một vật liệu hữu cơ có khả năng dẫn điện. Nhưng khác với kim loại và carbon, độ dẫn điện của polymer dẫn có thể được điều chỉnh bằng phương pháp điện hóa (electrochemical). Khi áp dụng vào việc hấp thụ năng lượng sóng radar, khả năng điều chỉnh độ dẫn điện đưa đến việc hấp thụ sóng ở những tần số khác nhau, hay có thể biến vật liệu giả đò "ngu si" phản xạ sóng radar, nhưng khi cần thiết trở lại chức năng "thông minh" cố hữu, hấp thụ sóng radar. Các chiến lược chiến thuật trong chiến tranh là tập hợp của sự "giả dối" và "đánh lừa", và polymer dẫn rất linh hoạt về phương diện này.
Đặc điểm của polymer dẫn là khả năng hấp thụ năng lượng vi ba rất hữu hiệu. Một thí nghiệm nhỏ dùng lò vi ba gia dụng cho thấy khi ta cho vi ba tác dụng lên polymer dẫn, nó sẽ hấp thụ năng lượng sóng và phát nhiệt [5]. Ngoài ra, ta chỉ cần 2% polypyrrole (một loại polymer dẫn điện thông dụng) trộn vào lớp cao su hay lớp sơn dày 2,5 mm là hỗn hợp này có thể hấp thụ ít nhất 90% năng lượng vi ba của băng tần 12 - 18 GHz [6-7]. Một loạt polymer dẫn điện với các cấu trúc hóa học khác nhau như polyaniline, polythiophene và poly(phenylene vinylene) cho hiệu ứng tương tự ở những tần số radar thích hợp. Một đặc điểm khác là polymer dẫn điện có thể ở hai dạng: (1) dạng trung tính cách điện và (2) dạng dẫn điện kết nạp với dopant A. Polymer dẫn được đặt trong bình điện giải và bằng sự thay đổi điện áp của bình, hai dạng sẽ được chuyển hoán như sau,
....MMMMMMMMMMMMMM..... (dạng 1) + A
↑↓
....MMMM+A-MMMMM+A-MMM+A-MMMM..... (dạng 2)
Hình 7: Khi có điện áp (trong hình: "on") polymer dẫn điện phản xạ sóng radar; khi không có điện áp (trong hình: "off") nó hấp thụ radar. Ở tần số khoảng 1,03 GHz, vật liệu này hấp thụ gần 99,9% (-50 dB) năng lượng sóng tới. Trong khoảng 1 đến 1,1 GHz, năng lượng bị hấp thụ là 90 % (-20 dB) [8].
Dạng 1 là dạng trung tính cách điện và dạng 2 là dạng dẫn điện. Dạng 1 không hấp thụ và dạng 2 hấp thụ sóng radar [Hình 7]. Như vậy, polymer dẫn điện trở nên một vật liệu thông minh "hư hư thực thực" đánh lừa đối phương, khi cần thiết sẽ là một vật liệu tàng hình, khi không cần thiết lại là một vật liệu "ngu si" phản hồi sóng radar [8-10]. Tuy nhiên, bình điện giải để thực hiện điều này dù cho ở kích cỡ nào hay hình dạng nào cũng không phải là một linh kiện thích hợp cho các thiết kế máy bay hay tàu tàng hình.
Vào năm 2001 một nhóm nghiên cứu tại Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (Chinese Academy of Sciences) đã tổng hợp polyaniline - một polymer dẫn điện thông dụng - có dạng hình ống ở kích cỡ micromét [11]. Bình thường, polymer dẫn điện như tên gọi đã định nghĩa chỉ có tác dụng điện. Nhưng khi polyaniline ở dạng hình ống thì có tác dụng từ tính trong băng tần quan trọng của sóng radar (1 - 18 GHz). Phải nói đây là một phát hiện thú vị bởi vì rất hiếm có một vật liệu nhẹ như polymer mang khả năng hấp thụ sóng radar bằng cả hai cơ chế từ và điện. Những vật liệu từ tính hấp thụ radar như bột sắt hay oxit sắt có tỷ trọng rất nặng và dễ bị ăn mòn (rỉ sét). Đây không phải là vật liệu lý tưởng cho máy bay, nơi mà đặc tính nhẹ cân là một điều kiện thiết kế quan trọng hàng đầu, hay tàu chiến phải thường xuyên tiếp cận với nước biển. Hơn nữa, việc trộn thành phần điện như carbon vào thành phần từ như oxit sắt không cho hiệu ứng đồng vận (synergetic effect) [7]. Polyaniline của nhóm nghiên cứu Trung Quốc thỏa mãn điều kiện nhẹ cân và mang cả hai đặc tính điện và từ. Tuy nhiên, sau bài báo cáo năm 2001 người viết không tìm thấy những tư liệu tiếp theo nói đến việc triển khai polyaniline dạng ống trong các áp dụng tàng hình.
5. Vật liệu nano
Ống than nano và các hạt nano kim loại và oxit kim loại càng ngày càng đa dạng và phương cách sản xuất càng được nâng cao tạo ra những sản phẩm đại trà. Vật liệu nano mang đến nhiều ứng dụng và hiệu ứng tàng hình cuả vật liệu này cũng là một đề tài nghiên cứu cuả các nhà tàng hình học. Người ta khi phối hợp polymer dẫn điện và ống than nano tạo thành composite đã thấy composite này hấp thụ vi ba nhiều hơn khi chỉ có đơn độc một thành phần [12]. Điều này chứng tỏ có hiệu ứng đồng vận xảy ra giữa polymer dẫn và ống than nano.
Hiện nay chưa có nhiều công bố về sự hấp thụ radar của hạt nano. Khi kích thước một vật liệu được thu nhỏ thì diện tích bề mặt của toàn thể hạt nano sẽ gia tăng với một số lần tương đương. Hạt sắt, oxit sắt và hạt carbon dùng trong việc hấp thụ sóng radar có độ lớn micromét. Hạt nano có kích thước khoảng 1.000 lần nhỏ hơn hạt micromét. Bằng một phương pháp tính toán đơn giản, ta biết được diện tích bề mặt cuả toàn thể hạt nano sẽ 1.000 lần lớn hơn so với hạt micromét ở cùng một thể tích. Khi có sự gia tăng bề mặt, những đặc tính của vật liệu sẽ gia tăng rất nhiều lần. Đặc tính hấp thụ năng lượng sóng vi ba radar gây ra bởi sự gia tăng từ tính và điện tính của vật liệu nano cũng không nằm ngoài nguyên tắc này. Mặc dù các loại hạt nano kim loại, oxit kim loại, chất bán dẫn, ống than nano càng lúc càng đa dạng và tinh vi, người viết vẫn chưa tìm thấy các báo cáo công khai nói về tiềm năng của vật liệu nano trong các ứng dụng tàng hình.
Một điều thú vị khác mà vật liệu nano có thể cống hiến cho hiệu ứng tàng hình là khả năng hấp thụ năng lượng trong vùng hồng ngoại (infrared). Trong phổ điện từ, vùng hồng ngoại nằm cạnh vùng vi ba (Hình 4). Nhiệt phát ra từ động cơ, hay do sự ma sát của không khí ở phần đầu, phần đuôi và rìa cánh máy bay trong các phi vụ. Nhiệt sinh ra bức xạ hồng ngoại mà các bộ cảm ứng trong tên lửa "lùng và diệt" của đối phương có thể cảm nhận. Khi đã phát hiện, tên lửa chỉ bám theo nguồn nhiệt và phá tung mục tiêu. Vì vậy bức xạ hồng ngoại cần phải được phát tán không bị bộ cảm ứng của đối phương phát hiện. Việc triển khai vươn tay đến vùng sóng "láng giềng" kề cận vi ba là một việc khả thi của vật liệu nano.
6. Vật liệu hấp thụ radar biết ứng biến
Các đài radar quân sự phát sóng để truy lùng máy bay hay tàu chiến đối phương ở những tần số bí mật. Đó là một trong những thông tin cực mật quốc gia. Tần số này ở đâu đó trong vùng 1 – 18 GHz và đây là băng tần rất rộng trong khi vật liệu hấp thụ radar chỉ có thể mang đến hiệu quả ở một tần số nhỏ hẹp. Nếu ta có một vật liệu hấp thụ radar tuyệt vời nhưng nằm ngoài tần số của đối phương thì hiện tượng "trớt quớt" xảy ra và hình bóng của ta sẽ lồ lộ hiện lên màn hình radar của đối phương. Nếu là radar của tên lửa thì chỉ trong một khoảnh khắc tên lửa háo hức tìm ta mà đâm vào! Việc truy lùng và phản kích cũng giống như hoạt cảnh trong phim hoạt hình "Tom and Jerry". Chú mèo Tom dùng mọi cách để tóm cậu tí nhắt Jerry nhưng Jerry không chịu thua, vừa tìm cách trốn lánh vừa quay lại phản kích đánh phủ đầu mèo Tom tạo nên một cảnh bát nháo vô cùng thú vị. Cậu tí Jerry lúc nào cũng thắng vì cậu khôn khéo biết tiên liệu được ý đồ của mèo Tom nên tiến thoái nhịp nhàng đánh mèo Tom những trận đòn nên thân.
Việc tiên liệu ý đồ của đối phương nằm trong sách lược "Biết người biết ta". Nhưng việc tiên liệu tần số radar của phe bên kia để "biết người" dành phần thắng cho ta thì như chuyện mò kim đáy biển, "non cao đất rộng biết đâu mà tìm"! Có lẽ ta phải cần đến sự thông minh và can đảm của điệp viên tầm cỡ James Bond 007 cùng với nàng kiều nữ khêu gợi đi vào đất địch mang về những thông tin cực mật cho phe ta. Nhưng các công trình nghiên cứu của nhóm Chambers (University of Sheffield, Anh Quốc) sẽ cho James Bond về vườn nghỉ hưu sớm! Nhóm Chambers cho thấy không cần phải sử dụng tài sức của một James Bond hào hoa nhưng thích thập thò làm cái việc "đánh cắp" tài liệu mật khi ta có khả năng thiết kế được một bề mặt được phủ bởi vật liệu hấp thụ radar có đặc tính ứng biến động (dynamic adaptive radar absorbing materials, DARAM) còn gọi là mặt phủ "thông minh". Mặt phủ này giúp ta chế ngự được sóng tới radar dù ở bất cứ tần số nào [8-9, 13].
Theo nhóm Chambers, ta cần hai điều kiện. Điều kiện thứ nhất là nếu điện trở (hay độ dẫn điện, độ dẫn điện tỷ lệ nghịch với điện trở) của lớp phủ được thay đổi thì tần số hấp thụ radar có thể được di chuyển qua lại (nên là "động", dynamic) trên một băng tần rộng lớn. Điều kiện thứ hai là phía sau lớp phủ ta đặt một bộ cảm ứng để phát hiện tần số radar đối phương. Khi luồng radar chạm vào lớp phủ, bộ cảm ứng sẽ lập tức xác nhận tần số radar và sẽ báo cho lớp phủ biết để kịp thời "ứng biến" (adaptive) điều chỉnh đến tần số hấp thụ bằng một vi mạch liên thông (Hình 8) [9]. Không những như thế, khi sóng radar của đối phương chuyển sang tần số khác hệ thống này còn có khả năng di chuyển sự hấp thụ sóng đến tần số tương ứng để triệt tiêu nguồn đe dọa mới [8]. Tất cả trình tự của mọi thao tác phải diễn biến cực nhanh, vài giây đồng hồ, và phải đi trước những bước kế tiếp của đối phương nhanh chóng làm nhòa những luồng sóng radar đe dọa. Thật là một hệ thống thông minh. Nhưng đây chỉ là một cấu tưởng điện học cho thấy nguyên lý ứng xử của một hệ thống vừa hấp thụ năng lượng sóng điện từ vừa tự động di chuyển đến tần số hấp thụ (absorb while scanning).
Hình 8: Hệ thống vật liệu hấp thụ radar biết ứng biến (DARAM)
và bộ cảm ứng xác nhận tần số của sóng tới.
Vậy vật liệu nào có thể sử dụng tạo ra lớp phủ thông minh để thực hiện cấu tưởng này? Người ta nghĩ ngay đến polymer dẫn điện. Như đã đề cập ở trên, độ dẫn điện (hay điện trở) của polymer có thể thay đổi bằng một quá trình điện hóa. Ngoài ra, polymer dẫn còn mang tính chất của một tụ điện [8]. Khi có một kích hoạt điện hóa, vật liệu này có thể thay đổi độ dẫn điện và điện dung (capacitance) của tụ điện để tạo thành một lớp phủ hấp thụ radar "thông minh". Đây là một đặc tính vượt trội hơn bột carbon hay bột sắt, oxit sắt cổ điển chỉ mang điện tính hay từ tính bất biến, thụ động và "vô cảm" trước mọi kích thích từ ngoài. Tuy nhiên, việc sử dụng polymer dẫn trong lớp phủ hấp thụ radar gặp hai trở ngại lớn. Trở ngại thứ nhất liên quan đến đặc tính không ổn định nhiệt (thermally unstable) cố hữu của các loại polymer mà ta thường biết qua cái tên thông dụng là plastic. Trong kinh nghiệm thường ngày, chúng ta đều biết polymer biến tính và phân hủy ở được nhiệt độ cao (80 – 200 °C) và bởi tia tử ngoại trong ánh sáng mặt trời. Độ dẫn điện của polymer sẽ bị biến đổi hay bị triệt tiêu bởi những tác nhân này. Trở ngại thứ hai là sự thay đổi tần số hấp thụ sóng radar của polymer dẫn trong lớp phủ thông minh có thể kéo dài nhiều phút. Sự ứng biến này quá chậm so với tốc độ biến hoá trong vòng "vài tích tắc" của radar đối phương loại trừ việc sử dụng polymer để chế tạo lớp phủ "thông minh".
Nhưng các bế tắc này không làm nhóm Chambers chùn bước. Việc chế tạo vật liệu lý tưởng vừa nhẹ, vừa mỏng và có thể hấp thụ sóng radar bao trùm một băng tần rộng (broadband) có thể ứng phó với tất cả tần số của đối phương là mục tiêu tối hậu mà các nhà tàng hình học muốn đạt tới. Nhóm Chambers chuyển hướng nghiên cứu và triển khai mô hình điện học cho việc chế tạo một cấu trúc hấp thụ năng lượng radar trên một băng tần rộng. Họ không chú trọng đến các vật liệu đã biết như hạt carbon, bột sắt, hợp chất oxit hay polymer dẫn mà tập trung vào một cấu trúc mà đơn vị tạo thành có cả ba đặc tính là điện trở, điện dung và điện cảm (inductance) (Phụ lục b). Trên phương diện thực nghiệm, họ chọn diode có ba đặc tính cần thiết trên, một linh kiện thông dụng trong các ứng dụng điện tử, làm đơn vị cấu trúc. Trên một bề mặt của bảng mạch in (printed circuit board) có diện tích 18,5 x 12,5 cm dày 0,8 mm họ cài vào 180 diode. Khi có dòng điện chạy qua, cấu trúc này có thể hấp thụ 90 - 95% năng lượng của sóng tới radar trên một băng tần từ 8 GHz đến 14 GHz. Đây là những con số đáng kinh ngạc cho một cấu trúc tương đối đơn giản và rất mỏng. Khi một vật thể có độ lớn của chiếc máy bay to trung bình hấp thụ 90 - 95% năng lượng sóng, tiết diện radar của nó tương đương với một con chim bồ câu! Không có dòng điện, cấu trúc giả vờ "ngu si" phản hồi sóng radar.
So với các vật liệu hấp thụ truyền thống, có thể nói đây là một cấu trúc đạt đến đỉnh cao của "thông minh" và mang đến những điều kiện lý tưởng cho việc hấp thụ sóng radar. Cấu trúc diode đơn giản này có thể được triển khai bằng cách kết hợp với các linh kiện điện tử phức tạp khác để mở rộng hơn nữa băng tần hấp thụ. Tiếc thay, người viết không tìm thấy những bài báo cáo cùng đề tài sau bài viết đầu tiên năm 2004 [14].
7. Siêu vật liệu
Tính chất của một vật liệu như cơ tính, hóa tính, lý tính, điện tính, từ tính, quang tính là những đặc tính tùy thuộc vào bản chất hóa học của các phân tử làm nên vật liệu đó. Đó là những điều hiểu biết kinh điển. Khi muốn biến đổi tính chất của một vật liệu, người ta thường có khuynh hướng dùng các phương pháp cải biến hóa học để thực hiện. Thí dụ, cho vào sắt một vài phần trăm carbon để chế tạo thép có độ cứng và độ bền tốt hơn sắt. Điện tính của chất bán dẫn silicon cũng đuợc biến đổi bởi các chất tạp gọi là dopant. Trong vật liệu polymer, ta có thể tiên đoán được các tính chất của polymer từ các đặc tính của phân tử (monomer) tạo thành. Từ đó, ta có thể dùng các loại monomer khác nhau, biến đổi một cách "hóa học" để tạo một composite với các đặc tính tối ưu. Như thế, biến đổi tính chất vật liệu qua các phương pháp hóa học như tổng hợp, gia công với chất phụ gia hay tạo các loại composite đã trở thành những phương thức chế biến lâu đời trong khoa học vật liệu.
Tương tự, trong quang học và điện từ học đặc tính điện và từ của vật chất là yếu tố quan trọng trong việc tận dụng và chế ngự ánh sáng theo các nhu cầu. Chẳng hạn như các loại thấu kính máy ảnh, kính mắt hay sợi quang (optical fibre) được thiết kế dựa vào việc điều chỉnh hóa tính của vật chất để cung cấp các đặc tính thích hợp cho từng ứng dụng. Thí dụ, người ta điều chỉnh thành phần hóa học của sợi quang để có thể truyền quang trên đoạn đường dài; cho chì vào thủy tinh để gia tăng chiết suất làm lăng kính hay ly tách gia dụng sang trọng; cho hạt nano vàng vào để chế tạo thủy tinh nhiều màu dùng cho việc trang trí như trong các khung cửa giáo đường. Một thí dụ cho một ứng dụng quang học khác là người ta dùng các loại plastic (polymer) trong suốt thay cho thủy tinh để giảm trọng lượng cho các loại kính cận. Nhưng chiết suất của các loại polymer lại nhỏ hơn thủy tinh, cho nên kính plastic dày hơn kính thủy tinh. Để gia tăng chiết suất, kính plastic thường được cải biến bằng cách dùng các nhóm chức chứa bromine (Br) làm giảm độ dày của kính nhưng vẫn duy trì được tiêu cự (độ của kính), nhẹ hơn và hơn hết là gìn giữ được vẻ đẹp của gương mặt người mang.
Những thí dụ trên cho thấy khi phân tử được cải biến thì các tính chất quang học và điện từ của vật chất cũng được cải biến. Nhưng đây không phải là con đường duy nhất để định đoạt những đặc tính điện từ của vật chất. Từ năm 2000, một loại vật liệu nhân tạo gọi là "siêu vật liệu" (metamaterial) được khám phá và đang trở thành một đề tài nghiên cứu "nóng" trong các đại học, viện nghiên cứu doanh nghiệp và quốc phòng. Khác với vật liệu chế biến từ thiên nhiên như chất vô cơ (chất bán dẫn), hữu cơ (carbon, polymer), kim loại và oxit kim loại, siêu vật liệu là một cấu trúc được thiết kế hoàn toàn nhân tạo bằng cách bố trí (engineer) những đơn vị cấu trúc sao cho các đặc tính điện từ quan trọng như độ từ thẩm và độ điện thẩm có trị số theo ý muốn kể cả trị số âm. Đặc tính và hình dạng của những đơn vị này sẽ được đề cập ở phần sau.
Cơ quan "European Virtual Institute for Artificial Electromagnetic Materials and Metamaterials" định nghĩa siêu vật liệu là "một sắp xếp của các thành phần cấu trúc nhân tạo được thiết kế để đạt được những đặc tính điện từ thuận lợi và khác thường" (an arrangement of artificial structural elements, designed to achieve advantageous and unusual electromagnetic properties) [15]. Tạp chí Nature đã xem việc phát hiện siêu vật liệu như là một cột mốc quan trọng trong lịch sử vật lý mang tầm vóc ngang hàng với việc khám phá laser, pin mặt trời hay thông tin lượng tử (quantum information). Không gì ngạc nhiên khi cơ quan DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) của chính phủ Mỹ tỏ ra rất hào phóng trước những đề án nghiên cứu siêu vật liệu và trong mười năm qua đã tích cực tài trợ các cuộc hội thảo liên quan đến lý thuyết và ứng dụng của vật liệu này. Cho đến nay (năm 2010), các bài báo cáo về những thành quả nghiên cứu của siêu vật liệu đã được đăng tải lên các tạp chí chuyên ngành nổi tiếng như Science, Nature, Nature Materials, Physical Review Letters, gia tăng theo cấp lũy thừa có đến số ngàn, chưa kể đến những bài tổng quan đặc sắc trong Scientific American, Physics Today, Physics World, Materials Today, MRS Bulletin v.v...
Như chúng ta sẽ thấy ở phần kế tiếp, so với vật liệu cổ điển từ thiên nhiên những đặc tính điện từ của siêu vật liệu rất khác thường và phản trực cảm, đi ngược lại những thường thức mà người ta đã biết từ những kinh điển chính quy. Chính vì sự khác thường và phản trực cảm, vật liệu nhân tạo này được biểu hiện bằng tiền tố "siêu" dịch từ chữ "meta" có nguồn từ tiếng Hy Lạp, nghĩa là "vượt" (beyond). Siêu vật liệu "vượt" qua những vật liệu cổ điển nằm ở ý nghĩa là khi đơn vị cơ bản của vật chất như chúng ta thường biết là phân tử, thì trong siêu vật liệu là những đơn vị cấu trúc nhân tạo có kích cỡ từ milimét đến nanomét. Siêu vật liệu cho ta một khái niệm mới và phương thức mới tập trung vào việc cải biến các đơn vị cấu trúc hơn là thay đổi đặc tính hóa học của phân tử như trong các vật liệu cổ điển. Những đơn vị này có thể xem như "phân tử" theo nghĩa rộng, quyết định các chức năng và đặc tính điện từ của siêu vật liệu. Chúng có thể là que micro/nano vàng, sợi micro/nano bạc, mạng lưới vi mô hay là một vòng kim loại có khe hở [16] [Hình 9]. Hình dáng, kích thước và cách sắp xếp của những đơn vị này đã được tính toán trước để thích ứng cho một ứng dụng gây ra do kết quả của sự tương tác giữa siêu vật liệu và sóng điện từ.
Hình 9: Một thí dụ về đơn vị cấu trúc của một siêu vật liệu dùng trong vi ba: (a) Vòng kim loại đồng có khe hở kích cỡ milimét, (b) Cứ sáu vòng thì làm nên một đơn vị được in lên hai bảng nền cách điện cao 1 cm gắn thẳng góc vào nhau [16].
Trong việc thiết kế siêu vật liệu những đơn vị tạo thành phải nhỏ hơn bước sóng của sóng điện từ đuợc sử dụng. Như thế, sóng điện từ không thể "nhìn" được từng chi tiết của đơn vị mà chỉ "thấy" một vật liệu đồng nhất, giống như ta nhìn một ly thủy tinh chứa nước chỉ thấy nước và thủy tinh, mà không thấy phân tử thủy tinh hay phân tử nước. Thí dụ, sóng vi ba có bước sóng vài centimét, đơn vị cấu trúc để tương tác với vi ba có thể ở cấp milimét. Ta thoải mái thiết kế và cải biến những đơn vị cấu trúc ở kích cỡ này để thao túng đường đi của sóng mà sóng "không hề hay biết". Đối với ánh sáng thấy được (có bước sóng vài trăm nanomét), việc thiết kế đòi hỏi kỹ năng của công nghệ nano với sự chính xác ở cấp nanomét.
Siêu vật liệu có lẽ không xuất hiện nếu không có lý thuyết của một nhà khoa học người Nga tên là Veselago và sự bén nhạy của giáo sư vật lý John Pendry tại Imperial College London (Anh Quốc). Độ từ thẩm và độ điện thẩm của vật chất thiên nhiên phần lớn có trị số dương và không có vật chất nào đồng thời cùng có trị số âm. Nhưng vào năm 1968, Veselago nảy sinh một ý tưởng lạ đời rằng nếu ta có một vật liệu mà độ từ thẩm và độ điện thẩm đồng thời có trị số âm thì sự đời sẽ đổi thay như thế nào? Ông phát biểu những tính toán và suy luận trên tạp chí Soviet Physics Uspekhi [17]. Tuy nhiên, bài báo vật lý mang ý nghĩa mông lung này dễ dàng chìm vào quên lãng. Bỗng nhiên, một ngày đẹp trời nào đó vào năm 2000 khi cộng đồng nghiên cứu khoa học đưa ra khái niệm "siêu vật liệu" với tiềm năng chế tạo những vật liệu có độ từ thẩm và độ điện thẩm ở bất kỳ trị số nào cả dương lẫn âm và zero, thì những điều tiên đoán trong bài báo cáo của Veselago nằm im lìm hơn 30 năm qua trong một xó xỉnh đầy bụi được lôi ra ánh sáng. Lý luận của ông trở thành một chuẩn mực vì vật liệu có độ từ thẩm và độ điện thẩm âm là một siêu vật liệu tối thượng mà các nhà khoa học muốn đạt tới. Cũng rất dễ hiểu khi bài báo cáo của Veselago chỉ vỏn vẹn 6 trang giấy nhưng đã được trích dẫn hơn 3.000 lần trong 10 năm qua, một con số rất to chứng tỏ địa vị tiên phong và tầm quan trọng của lý thuyết Veselago.
Quang học cơ bản cho ta biết rằng độ từ thẩm và độ điện thẩm có liên quan trực tiếp đến chiết suất (Phụ lục c). Chiết suất của không khí (xem không khí như là chân không) là 1 trong khi chiết suất của nước là 1,33, thủy tinh là 1,5. Trị số của chiết suất là dương. Khi tia sáng (hay sóng điện từ) đi từ môi trường này đến môi trường kia có chiết suất khác nhau thì đường đi của ánh sáng sẽ bị khúc xạ ở mặt tiếp giáp. Đó là những hiện tượng thường thấy khi tia sáng đi từ không khí sang môi trường nước (hay thủy tinh). Vật liệu "giả tưởng" trong bài viết của Veselago có độ từ thẩm âm và độ điện thẩm âm nên chiết suất cũng là một số âm. Người ta gọi đây là vật liệu có chiết suất âm (negative refractive index materials, NIM) và như đề cập ở trên đây là siêu vật liệu các nhà khoa học đang nhắm tới vì các tiềm năng ứng dụng "đổi đời" trong quang học, điện từ học, điện tử học và quang điện tử (photonics). Hình 10a và 10b [18] minh họa hai trường hợp khúc xạ trong môi trường có chiết suất dương và chiết suất âm.
Hình 10a: Nguyên lý khúc xạ của ánh sáng trong (a) môi trường chiết suất dương và (b) môi trường chiết suất âm.
Hình 10b: Khúc xạ trong chất lỏng có chiết suất dương (hình trái) và trong chất lỏng giả tưởng có chiết suất âm [18].
Những kết quả khoa học thường đến trong tay những người nghiên cứu qua một sự ngẫu nhiên. Ý tưởng về siêu vật liệu tàng hình cũng ngẫu nhiên phát xuất từ một mẫu vật liệu hấp thụ radar. Vào giữa thập niên 90 của thế kỷ trước, công ty Marconi Materials Technology (Anh Quốc) chuyên sản xuất những vật liệu tàng hình thương mại đã nhờ Pendry tư vấn về cơ chế hấp thụ radar của một mẫu sợi carbon. Pendry phát hiện một điều thú vị là điện tính của carbon tạo ra sự hấp thụ sóng radar không những từ bản chất cố hữu của carbon mà còn do hình dạng dài và mỏng của sợi carbon. Việc khám phá về sự liên hệ giữa điện tính và hình dáng vật liệu này khiến ông liên tưởng đến một liên hệ tương tự cho từ tính. Câu hỏi ông đặt ra là: có khả năng nào chế tạo một vật liệu phi từ (non-magnetic) trở nên vật liệu mang từ tính bằng cách điều chỉnh hình dạng của vật ấy? Suy nghĩ này không phải là hoang tưởng mà có cơ sở lý luận phảng phất trong các công thức của phương trình Maxwell. Rằng là khi có một dòng điện chạy ngang một vật (chẳng hạn như sợi dây hay vòng kim loại) thì từ trường cảm ứng sẽ phát sinh xung quanh vật đó. Từ nguyên lý cơ bản này, sự tưởng tượng đưa Pendry tiến thêm một bước nữa là nếu ta tạo ra vô số vòng cực nhỏ bằng đồng (đồng là kim loại phi từ) rồi cài chúng vào một chất nền, sau đó cho dòng điện chạy qua các vòng này thì ta sẽ có một cảm ứng từ. Nếu ta kết hợp sợi carbon mang điện tính của công ty Marconi tạo ra một hỗn hợp với các vòng tí hon với cảm ứng từ thì ta có cơ may chế ngự được bức xạ điện từ theo ý muốn. Pendry vô hình trung đã có những ý niệm tiên khởi tạo ra một siêu vật liệu có khả năng tạo hiệu ứng tàng hình trong một băng tần vô cùng rộng lớn kéo dài từ vùng vi ba đến vùng ánh sáng thấy được.
Hình 11: Siêu vật liệu hay vật liệu có chiết suất âm đầu tiên. Đơn vị cấu trúc (Hình 9) được lắp ráp thành một hệ thống lập thể có trình tự nhất định với các vòng đồng có khe hở cho độ từ thẩm âm và sợi dây đồng cho độ điện thẩm âm trong vùng vi ba.
Độ điện thẩm âm hiện diện trong một số vật liệu nhưng độ từ thẩm âm là một điều hiếm có. Vật liệu cùng có đồng thời hai trị số âm và do đó có chiết suất âm theo ý tưởng của Veselago, lại càng hiếm hoi nếu không nói là vô vọng. Nhưng, "đừng tuyệt vọng, em ơi đừng tuyệt vọng"! Người hùng Pendry sừng sững xuất hiện như một vị cứu tinh… Việc tạo ra độ điện thẩm âm tương đối dễ dàng hơn độ từ thẩm âm nên Pendry đặc biệt quan tâm đến từ tính của vật liệu. Xuất phát từ vật phi từ biến thành vật mang đặc tính từ, Pendry suy diễn tiếp khả năng biến đổi hình dáng và kích thước của vòng kim loại đồng để tạo một độ từ thẩm âm. Ông và các cộng sự đề nghị vòng kim loại có một khe hở có thể cộng hưởng và tạo ra độ từ thẩm âm khi tác dụng với sóng điện từ [19]. Ông gọi tên đơn vị cấu trúc này là vòng cộng hưởng hở (split ring resonator). Nhóm nghiên cứu San Diego tại Đại học California (San Diego, Mỹ) tiếp tục phát huy cấu trúc này và lần đầu tiên trong lịch sử khoa học tạo ra một vật liệu có chiết suất âm được công bố trong ba bài báo cáo quan trọng [20-22]. Đây là một cấu trúc lập thể được tạo thành bằng những vòng kim loại đồng có khe hở in ở mặt trước và sợi đồng theo chiều dọc ở mặt sau [22] (Hình 11). Khi sóng vi ba tác dụng lên cấu trúc lập thể này thì vòng đồng sản sinh ra độ từ thẩm âm và sợi đồng cho độ điện thẩm âm. Từ góc khúc xạ của sóng, nhóm nghiên cứu San Diego tìm thấy trị số chiết suất của siêu vật liệu này là -2,7 [22].
Công trình thực nghiệm của nhóm San Diego khẳng định lý thuyết của Veselago và đã biến giấc mơ Veselago thành hiện thực. Cấu trúc lập thể với các kết quả thí nghiệm của nhóm San Diego là một bước nhảy vọt trong quang học và điện từ học, một niềm hân hoan của phe "khẳng định" nhưng lại là một mối hoài nghi của phe "phủ định". Các nhà khoa học không dễ dàng chấp nhận những gì quá mới đi ngược với cái trực cảm vốn có, hay những đột phá muốn chọc thủng quán tính của tư duy. Hoài nghi là một đặc tính chung của các nhà khoa học và nó ám chỉ rằng dưới kết quả được phát hiện của một cuộc thí nghiệm vẫn còn nhiều việc phải làm và nhiều điều phải được lý giải nghiêm túc theo đúng các quy luật vật lý. Nhưng trước khi đám bụi mù của những cuộc tranh luận lắng đọng thì đã có rất nhiều đề xuất ứng dụng cho siêu vật liệu. Vật liệu chiết suất âm đã mở ra hàng loạt những tiềm năng mới cho các dụng cụ quang học, điện từ, quang điện tử, sinh học và sinh y học. Đặc biệt, những thành công ở vùng sóng vi ba trở thành nền tảng cho việc chế tạo siêu vật liệu với bố trí cấp nano (nano-engineering) để triển khai tới các vùng sóng với bước sóng ngắn hơn như vùng hồng ngoại và ánh sáng thấy được - những vùng sóng cho con người nhiều ứng dụng hữu ích.
Dựa theo ý tưởng của Veselago, chúng ta hãy xem siêu vật liệu có thể đóng góp nào để cải thiện một dụng cụ quang học đơn giản nhất: cái thấu kính.
8. Siêu vật liệu và siêu thấu kính
Veselago thảo luận đường đi của ánh sáng qua một thấu kính giả tưởng có chiết suất âm mà bây giờ người ta gọi là "siêu thấu kính" (superlens) (Hình 12). Vào năm 2000, Pendry hồi sinh và triển khai lý thuyết Veselago qua bài viết có tựa đề là "Negative refraction gives a perfect lens" (Chiết suất âm làm ra chiếc thấu kính lý tưởng) [23]. "Chiếc thấu kính lý tưởng" trong bài viết của Pendry có nghĩa là siêu thấu kính. Báo cáo này đã làm sôi nổi cộng đồng nghiên cứu quang học và điện từ học. Trong khi Veselago còn ngập ngừng ở giai đoạn lý thuyết và giả tưởng thì Pendry hùng hồn khẳng định và chứng minh rằng việc chế tạo vật liệu chiết suất âm là khả thi và siêu thấu kính hiện hữu với những tiềm năng tuyệt vời.
Hình 12: Đường đi của ánh sáng đi qua (a) một thấu kính bình thường có chiết suất dương và (b) siêu thấu kính có chiết suất âm.
Tại sao gọi là "siêu thấu kính"? Thấu kính là một bộ phận trung tâm của các dụng cụ quang học từ cái máy ảnh bình thường, kính hiển vi quang học đến kính viễn vọng thiên văn. Dù được chế tạo cực kỳ hoàn hảo, không chứa những khuyết tật gây ra trong quá trình sản xuất, thấu kính quang học vẫn không cho hình ảnh rõ rệt của vật quan sát khi vật này có kích thước tương đương với bước sóng ánh sáng. Nếu bước sóng của ánh sáng trắng là 550 nm (nanomét) (trung bình cộng của bước sóng ánh sáng tím 400 nm và ánh sáng đỏ 700 nm) thì hình ảnh của vật nhỏ hơn 550 nm (độ lớn của vi-rút) trong kính hiển vi quang học sẽ bị nhoè vì nhiễu xạ (diffraction). Tuy nhiên, siêu thấu kính làm từ vật liệu có chiết suất âm sẽ không bị ảnh hưởng của sự nhoè ảnh do nhiễu xạ. Điều này cho thấy siêu thấu kính sẽ cho con người một dụng cụ quang học để quan sát một vật có độ lớn nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng [24].
Khả năng "kỳ quái" của siêu thấu kính làm tan biến sự nhòe nhiễu xạ lập tức có những đề nghị ứng dụng trong li-tô quang học (optical lithography) hay tạo ra những vi mạch đến cấp nanomét, sản xuất các loại đĩa quang học (DVD, CD) với lượng trữ dữ liệu vài trăm lần nhiều hơn và tiềm năng xử lý dữ liệu bằng ánh sáng trong máy vi tính hay dụng cụ điện tử. Ngoài ra, kính hiển vi có một vai trò đặc biệt trong sinh học. Việc quan sát vi-rút, phân tử sinh học như DNA, protein bằng kính hiển vi điện tử là một thường thức, nhưng tiếc thay tia điện tử mang năng lượng cao sẽ "giết" những phân tử sinh học này trong lúc quan sát. Kính hiển vi quang học dùng ánh sáng qua siêu thấu kính sẽ cho ta thấy vật chất sinh học trong trạng thái "sống" và đây sẽ là chiếc chìa khóa để giải mã những bí mật sinh học duy trì sự sống của mọi sinh linh ở tận cùng phân tử. Ngày xuất hiện các sản phẩm này trên thương trường có lẽ còn xa, nhưng theo Pendry giấc mơ của Veselago dứt khoát đang trở thành hiện thực và một thập niên đã trôi qua cho thấy những thành quả đầy kinh ngạc trong lĩnh vực này.
Ý nghĩa vật lý của hiện tượng tàng hình (hay là "Chế ngự những đường đi của sóng điện từ")
Tóm tắt:
Tàng hình là giấc mơ ngàn đời của con người được thể hiện qua nhiều truyện thần thoại và những tiểu thuyết viễn tưởng mọi thời đại. Tàng hình cũng là niềm mơ ước của các chiến lược gia quân sự và nhà nghiên cứu tàng hình học. Nhu cầu che "mắt thần" radar của đối phương sản sinh ra kỹ thuật tàng hình. Kỹ thuật tàng hình xoay quanh việc ngăn chận hay giảm thiểu những luồng sóng radar phản xạ từ mục tiêu bị theo dõi. Mục tiêu sẽ tàng hình khi không còn sóng phản xạ. Kỹ thuật này bao gồm việc thiết kế bề mặt để sóng bị tán xạ không quay về nguồn quan sát, hay các phương thức chế tạo vật liệu hấp thụ radar để giảm thiểu hoặc triệt tiêu sóng phản xạ. Gần đây, khái niệm "siêu vật liệu" với hiệu ứng tàng hình là một đề tài nghiên cứu lớn hấp dẫn không ít sự chú ý và cũng gây ra những cuộc tranh cãi trong cộng đồng nghiên cứu khoa học. Hơn nửa thế kỷ qua, các nhà khoa học đã bẻ ngoặt, uốn cong những đường đi của sóng điện từ (bao gồm cả ánh sáng), thậm chí hấp thụ năng lượng của nó cho mục đích tàng hình. Trên vấn đề an ninh quốc gia, kỹ thuật này là cơ mật quốc phòng nhưng nó lại đứng trên nền tảng của các quy luật vật lý công khai. Mục đích của bài viết này nhằm giải thích những quy luật đó. Bài viết không liên quan đến kỹ năng "tàng hình" của các nhà ảo thuật.
1. Tàng hình: một khái niệm nhiều thú vị
"Tàng hình" là một yếu tố không thể thiếu trong những truyện thần thoại hay tiểu thuyết viễn tưởng từ cổ chí kim, từ Đông sang Tây. Nó được xem như một phép thần thông khơi dậy sự tưởng tượng cuả độc giả và đưa người đọc không phân biệt trẻ già vào một thế giới huyền hoặc, không tưởng đầy thú vị. Từ những nàng kiều nữ hồ ly của "Liêu trai chí dị" hiện về sống bên người tình thư sinh trong đêm khuya rồi biến đi lúc hừng sáng để lại chàng học trò thương nhớ cuồng si, đến cái nón của Perseus và chiếc nhẫn của Gyge trong thần thoại Hy Lạp mà ai mang vào thì sẽ có phép màu "hô biến", hay chiếc áo choàng "tàng hình" của Harry Potter được làm từ những vật liệu thần bí tìm thấy ở tận miền cực Đông thế giới, tàng hình tiếp tục mê hoặc con người qua nhiều thế hệ. Quyển tiểu thuyết khoa học viễn tưởng "Invisible Man" (Người vô hình) của H. G. Wells xuất bản vào cuối thế kỷ 19 được tác giả thêm vào một chút "hương vị" khoa học, kể một câu chuyện về một nhà khoa học đã làm một loạt phản ứng sinh hóa học biến những phân tử của tế bào và cơ thể của ông ta trở nên trong suốt như không khí.
Những sự kiện trong khoa học viễn tưởng thường dựa trên những nguyên lý khoa học đã biết, nhưng khi gặp phải một tình huống mà khoa học chưa có câu trả lời thì tác giả sẽ thả hồn vào sự tưởng tượng riêng của mình và tùy tiện định đoạt hướng đi tương lai của khoa học cốt sao cho thích hợp với sự diễn biến câu chuyện của quyển tiểu thuyết. Lối suy diễn này ít nhiều có những gắn bó với các tri thức khoa học và đã thoát ra khỏi cái khung thô thiển trong các câu chuyện thần thoại. Sự liên hệ giữa viễn tưởng và khoa học vì vậy trong một chừng mực nhất định là một trao đổi hai chiều. Các nhà khoa học cũng rất hào hứng trước các sự kiện viễn tưởng, nhưng định luật khoa học là vành đai bó buộc tư duy của họ phải đi vào khuôn phép. Có nhiều phát minh của nhân loại một cách vô tình hay cố ý đã hiện hữu trong tiểu thuyết viễn tưởng trước khi chúng là hiện thực. Jules Verne đã viết về máy in fax, tàu ngầm, tàu vũ trụ, thám hiểm cung trăng có hơn một trăm năm trước khi những sự kiện này thực sự hiện hữu hay được phát minh. Cái thang trời leo lên tận mây xanh hay việc thuộc địa hóa các hành tinh đã là những chất liệu viễn tưởng nhưng đang được con người thực hiện.
Tàng hình trong ảo thuật là một phạm trù "bí mật" chỉ có những người hành nghề trong cuộc cùng giao ước với nhau để bảo mật các quy luật hay kỹ xảo nghề nghiệp. Không ít những ảo thuật gia đã làm khán giả thán phục và sửng sốt khi họ có thể biến mất rồi xuất hiện một nơi khác hay làm "tàng hình" nguyên một toa xe lửa. Có thể họ vận dụng quy luật khoa học đơn giản có liên quan đến ánh sáng hay màu sắc đánh lừa con mắt khán giả. "Tàng hình" trong quân sự cũng là một phạm trù bí mật nếu không muốn nói là cực mật của nền an ninh quốc gia. Nhưng hiện tượng tàng hình được áp dụng trong quân sự không vượt ra ngoài các quy luật vật lý liên quan đến sự tương tác giữa ánh sáng hay nói rộng hơn sóng điện từ với vật chất. Những quy luật vật lý là tài sản chung của loài người không thuộc về ai, hiển nhiên và rõ ràng. Tuy nhiên, cũng như kỹ xảo nghề nghiệp của ảo thuật gia, trong tàng hình quân sự các "kỹ xảo" làm nên vật liệu tàng hình và hiệu năng của chúng là những cơ mật quốc gia.
"Tàng hình" thường được hiểu là "biến mất" theo quan điểm thông thường. Nhưng trong khoa học, khi ta "tàng hình" không có nghĩa là ta "tan biến" vào một cõi mơ hồ... Ta vẫn lừng lững đứng đó nhưng người không thấy ta! Ngụy trang bằng sự hòa hợp màu sắc với môi trường xung quanh cũng có thể xem là một cách tàng hình dù là thô sơ. Thí dụ như việc hóa trang mặc áo đen đi trong màn đêm, mặc áo trắng đi dật dờ trên tuyết hay áo rằn ri khi luồn lách trong bụi rậm (Hình 1). Thiên nhiên đã làm điều này từ ngàn xưa. Một số loài động vật, các loài cá thậm chí côn trùng đã được tạo hóa cho khả năng biến đổi màu sắc, hoa văn ngụy trang giống với môi trường xung quanh để bảo vệ bản thân hay phục kích con mồi. Con tắc kè hoa có lẽ là đỉnh cao của việc thay đổi và hòa hợp màu sắc với cây cỏ.
Hình 1: Người "tàng hình" bằng sơn đứng cạnh bánh xe trưóc (Credit: Liu Bolin).
Hiện tượng tàng hình hay hiện hình thật ra là kết quả của sự tương tác giữa ánh sáng (hay sóng điện từ ở nghĩa rộng) và vật chất. Ta nhìn thấy được mọi vật quanh ta là do sự phản xạ của ánh sáng và khi những tia sáng phản xạ đập vào mắt ta, thị giác cho ta sự cảm nhận màu sắc của những gì hiện hữu trong thế giới xung quanh. Nhưng khi màn đêm buông xuống hay ánh đèn trong một căn phòng phụt tắt thì mọi vật "tàng hình" vì không còn sự phản xạ của ánh sáng. Khi ánh sáng, hay nói rộng hơn là sóng điện từ, tác động lên vật chất thì có ba trường hợp xảy ra: (1) phản xạ (reflection), truyền xạ (transmission) và hấp thụ (absorption) (Hình 2).
Hình 2: Sự tương tác giữa sóng điện từ (hay ánh sáng) với vật chất. (1) Sóng tới, (2) Sóng phản xạ, (3) Sóng truyền xạ và (4) Hấp thụ.
Như vậy, nếu muốn một vật tàng hình thì ta phải làm sao triệt tiêu được sự phản xạ của ánh sáng hay điều chỉnh hướng phản xạ của ánh sáng đi ra xa người quan sát. Ta có thể cảm nhận việc điều chỉnh hướng phản xạ ánh sáng trong cuộc sống hằng ngày. Khi ta đứng trực diện trước một tấm gương phẳng, ta sẽ nhìn thấy ta trong gương. Nhưng khi ta nghiêng tấm gương với một góc độ thích hợp, ta không còn thấy ta, ta đã "biến mất" trong gương. Tuy nhiên, khi ta có một cái gương hình cầu, dù có quay gương theo hướng nào hay ta di chuyển bất kỳ ở vị trí nào lúc nào cũng thấy ta hiện trong gương. Như vậy, đối với mặt cầu ở vị trí nào ánh sáng cũng có thể phản xạ đến người quan sát, trong khi mặt phẳng chỉ có một góc duy nhất làm ánh sáng phản xạ trở lại nơi người quan sát là khi ánh sáng tới đụng vào tấm gương ở góc 90 độ (khi ta đứng trực diện thẳng góc với tấm gương) (Hình 3). Đây là một thường thức nhưng lại là một phương pháp tạo dáng cơ bản cho máy bay và tàu chiến tàng hình. Từ kết quả này ta thấy ngay nếu một vật thể được nối kết một cách hợp lý từ các mặt phẳng thì vật này có khả năng làm phản xạ sóng radar đi ra xa người quan sát hơn vật thể hình cầu.
Hình 3: Sóng tới và sóng phản xạ của (a) mặt phẳng và (b) mặt cầu. Chỉ có sóng tới chạm vào mặt phẳng ở góc 90° sẽ phản xạ trở lại nguồn phát.
Radar là công cụ rất hiệu quả để định vị, nhận dạng và truy tìm máy bay và tàu bè tầm xa. Sóng radar dùng trong quân sự và dân sự thường là sóng vi ba cũng có những hành xử và bản chất như ánh sáng, cùng là sóng điện trường chỉ khác nhau về tần số (hay bước sóng). Đó là loại sóng điện từ mà ta dùng trong lò vi ba để nấu ăn, hâm nóng hay dùng để nói chuyện qua điện thoại di động (Hình 4). Nhu cầu làm giảm thiểu hay triệt tiêu sóng phản xạ radar để "hô biến" đưa đến việc triển khai vật liệu hấp thụ radar hay còn gọi là vật liệu tàng hình. Cuối cùng, một vật liệu đang làm chấn động cộng đồng nghiên cứu khoa học có tên là "siêu vật liệu" (metamaterial) mà các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này tin rằng cái áo choàng làm bằng siêu vật liệu sẽ còn hiệu nghiệm hơn cái áo choàng của Harry Potter, khiến cho người mặc tàng hình trước "mắt thần" radar cũng như mắt thịt của người trần. Có thật hay không? Chúng ta hãy đi vào những phần kế tiếp để hiểu rõ các quy luật vật lý đã làm nền tảng trong việc tạo dáng tàng hình, cũng như các nguyên lý chế tạo vật liệu hấp thụ radar và siêu vật liệu.
Hình 4: Các loại sóng điện từ. Wavelength: bước sóng, Frequency: tần số, Radio waves: sóng radio, FM radio and TV: sóng FM radio và tivi, Microwaves: vi ba, Infrared: hồng ngoại, Optical IR: hồng ngoại quang học, Ultraviolet: tử ngoại, Optical UV: tử ngoại quang học, X-radiation: bức xạ X, Gamma radiation: bức xạ gamma, Visible spectrum: phổ ánh sáng thấy được, Red: đỏ, Green: xanh lục, Blue: xanh lam, Crimson: đỏ thắm, Yellow: vàng, Cyan: xanh cyan, violet: tím (Nguồn: Google).
2. Hình dạng vật thể và tiết diện radar
Thiết bị radar phát ra sóng điện từ ở các tần số khác nhau, từ megahertz (MHz) đến gigahertz (GHz), tùy theo nhu cầu như giám sát (surveillance), theo dõi (tracking), định vị hay truy lùng mục tiêu. Khi sóng được phát ra từ nguồn phát chạm vào một vật thì sóng bật lại do sự phản xạ. Làn sóng phản xạ được ghi nhận bởi một đài thu sóng và từ đó người ta có thể định vị và nhận dạng mục tiêu. Trên màn hình radar ở trạm thu sóng, sóng phản xạ cho biết độ lớn của mục tiêu. Thuật ngữ chuyên môn của độ lớn này là "tiết diện radar" (radar cross section). Nếu mục tiêu là một vật thể làm từ vật liệu giống nhau thì đương nhiên độ lớn của vật càng to thì tiết diện radar càng to.
Sự ra đời của radar trong Thế Chiến thứ 2 đã mang đến nhiều ứng dụng trong dân sự lẫn quốc phòng. Trong các ứng dụng dân sự tiết diện radar to là điều kiện cần thiết để theo dõi và giám sát máy bay hành khách hay thương thuyền trên biển khơi. Ngược lại, trong ứng dụng quân sự để tránh sóng radar truy lùng của đối phương, máy bay và các chiến hạm phải có tiết diện radar càng nhỏ càng thuận lợi. Từ nhu cầu lẩn tránh con mắt thần của phe địch, ngày khai sinh của radar hơn 60 năm trước cũng là ngày khai sinh của kỹ thuật tàng hình như một chiêu thức hóa giải radar. Kỹ thuật này bao gồm nhiều nghiên cứu lý thuyết về tác động của sóng điện từ lên trên bề mặt vật chất nhằm tối ưu hoá các vật liệu hấp thụ radar (radar absorbing materials, RAM) cũng như việc thiết kế bề mặt để vật thể có một tiết diện radar cực nhỏ. Khi tiết diện tiến đến zero, thì ta thực sự "hô biến" trên màn hình radar của đối phương!
Các nhà tàng hình học còn có một tham vọng cao hơn là tạo ra một vật thể có tiết diện radar lớn hoặc nhỏ tùy lúc theo ý muốn của người điều khiển. Có nghĩa là một chiếc đấu cơ hay chiến hạm sẽ có khả năng "tàng hình" hay "hiện hình" trước radar của đối phương. Nghe như người hùng trong truyện cổ tích có bao phép thần thông, nhưng đây là mục tiêu của những nhà tàng hình học nhắm đến. Như chiến lược gia Tôn Tử đã nói hơn hai ngàn năm trước "Việc binh là việc giả dối", thật là một đột phá tuyệt vời nếu các nhà khoa học quân sự có thể làm chiến đấu cơ hay chiến hạm biết "giả dối", hiện hình trước con mắt radar của đối phương trong thời bình và khi lâm trận tấn công trong thời chiến nó sẽ đổi sang tư thế tàng hình. Việc này có thực sự khả thi không? Chúng ta hãy đi theo trình tự từ dễ đến khó, hiểu những quy luật thiết kế vật "tàng hình" từ đơn giản đến phức tạp.
Những ai đã từng có kinh nghiệm về đầu tư địa ốc đều biết ba điều tâm niệm vàng ngọc khi mua nhà đất là "địa điểm", "địa điểm" và... "địa điểm"; thì trong việc tạo dựng chiếc máy bay và tàu chiến tàng hình những nhà khoa học và kỹ sư thiết kế cũng có ba chiến lược quan trọng là "hình dáng", "hình dáng" và... "hình dáng"! Việc tạo dáng để giảm thiểu sóng phản xạ radar là điều kiện tiên quyết của kỹ thuật tàng hình và những yếu tố tàng hình khác sẽ được lần lượt "hạ hồi phân giải". Thí dụ về cái gương phẳng và gương hình cầu ở bên trên cho ta một khái niệm cơ bản về thiết kế. Mặt phẳng với một độ nghiêng thích hợp sẽ phản xạ sóng radar ra xa người quan sát (tức là nguồn phát radar) và mặt cầu phản xạ trở lại đúng ngay người quan sát (Hình 3). Thí dụ dễ hiểu này đưa ra một kết quả quan trọng là chớ có bao giờ thiết kế với mặt cầu nếu muốn vật thể tàng hình.
Việc định lượng tiết diện radar của vật thể từ đơn giản đến phức tạp trở thành một ngành đặc biệt của điện từ học. Vật thể đơn giản có nghĩa là những hình dạng đơn giản như mặt phẳng, hình cầu, hình trụ, hình nón, hình khối. Vật thể phức tạp là máy bay, tàu bè, xe hơi, con người, thú vật, chim muông, thậm chí côn trùng, lùm bụi, cây cỏ. Sự phản hồi của sóng radar từ một vật thể không phải đơn thuần chỉ là sự phản xạ mà còn bao gồm cả nhiễu xạ (diffraction) ở những đỉnh nhọn, đường mép của vật thể. Định lượng sóng phản hồi radar càng rắc rối khi hình thể của mục tiêu quan sát càng phức tạp và vì vậy người ta cần có một mô hình toán học tinh vi và lập trình vi tính thích hợp để tìm ra những đáp án. Và cái đáp án mong muốn cũng rất đơn giản là làm sao tìm ra một thiết kế tạo dáng tối ưu để cho một vật thể cực to nhưng có tiết diện radar cực nhỏ.
Vào thập niên 60 của thế kỷ trước, một nhà khoa học Nga trẻ tên là Petr Ufimtsev đã tạo ra một mô hình toán học để tính toán sự phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ (scattering) của sóng điện từ từ một vật thể được làm nên bởi các mặt phẳng với các độ nghiêng khác nhau. Thập niên 60 là điểm cao của chiến tranh lạnh, chính phủ Liên Xô lập ra nhiều tầng kiểm soát để bảo mật những tài liệu nhạy cảm có liên quan ít nhiều đến an ninh quốc gia. Nhưng thật không ngờ mô hình toán học của Ufimtsev được cho phép công bố rộng rãi tại Liên Xô và toàn thế giới. Sự sơ hở xảy ra có lẽ vì Ufimtsev là một nhà vật lý trẻ tuổi vô danh và mô hình toán của ông chỉ được các "cây đa, cây đề" của nhà cầm quyền Liên Xô đánh giá như là kết quả của một nghiên cứu cơ bản chung chung không có giá trị quốc phòng lẫn kinh tế.
Như một báu vật từ trên trời rơi xuống, khi bài báo cáo được dịch từ tiếng Nga sang tiếng Anh các chuyên gia tại hãng hàng không Lockheed (Mỹ) có mắt tinh đời nhanh tay vồ ngay lấy mô hình này, rồi từ đó triển khai thành một lập trình vi tính mang tên là Echo 1 để tìm lời giải cho mô hình Ufimtsev và tính toán tiết diện radar của chiếc máy bay làm từ các mặt phẳng. Những tính toán này cho thấy vật to không nhất thiết cho một tiết diện radar to nếu ta biết sắp xếp bề mặt làm giảm thiểu sự phản hồi sóng radar. Năm 1975, các chuyên gia Lockheed đã tìm ra một thiết kế tối ưu cho máy bay tàng hình có một tiết diện radar rất nhỏ vì những luồng sóng tới radar bị tán xạ ra xa người quan sát. Chỉ vài năm sau, không quân Mỹ cho chào đời chiến đấu cơ F-117 Nighthawk (Chim ưng đêm) với thân máy bay được lắp ghép với những mặt phẳng ba chiều (faceted surface) giống như chiếc máy bay giấy origami của trẻ con (Hình 5).
Hình 5: (a) F-117 Nighthawk với các mặt phẳng origami và (b) B-2 Spirit với rìa cánh tròn tránh nhiễu xạ và thân máy bay được tối ưu hóa cho hiệu quả khí động lực học và hiệu ứng tàng hình (Nguồn: Wikipedia).
Không thiếu gì những lời ca lãng mạn tôn vinh người hùng chiến sĩ phi công tung đôi cánh sắt, lái những chiếc chiến đấu cơ hiện đại trông rất ngầu gầm thét xé toạt không gian, đảo lượn trên khung trời xanh "lênh đênh ngàn mây trôi êm đềm", mang tới cho người em gái hậu phương sầu mộng biết bao niềm đam mê ngây ngất... Nhưng mặt sau của sự lãng mạn này chỉ là những sự kiện khoa học lạnh lùng và trần trụi. Việc đảo lượn của một chiếc máy bay siêu âm như chiến đấu cơ cần phải tuân thủ những nguyên lý của khí động lực học (aerodynamics). Tuy nhiên, mặt phẳng origami không phải là hình dạng đem lại những ưu thế khí động lực học cho việc thao tác, đảo lượn và gia giảm vận tốc.
Các chuyên gia tại công ty hàng không Northrop (Mỹ) tiếp tục triển khai lập trình của Lockheed tìm những lời giải toán học cho việc thiết kế bề mặt vừa có lợi điểm khí động lực học vừa có thể phân tán sóng phản xạ ra ngoài vùng kiểm soát radar của đối phương. Kết quả của những tính toán này là máy bay ném bom tàng hình B-2 Spirit với đôi cánh phẳng có bề mặt rất to và thân máy bay có hình dạng dài thon thả thỏa mãn yêu cầu của khí động lực học và hiệu quả tàng hình (Hình 5). Có thể nói B-2 là chiếc máy bay đỉnh cao của việc thiết kế đạt đến điểm tối ưu cho hai yêu cầu đối nghịch này. Khi điều kiện khí động lực học không còn là một đòi hỏi quan trọng, chẳng hạn như trong các chiến hạm tàng hình, những mặt phẳng origami vẫn là bề mặt được ưa chuộng vì nó dễ chế tạo, tiện lợi cho việc lắp ráp và ít tốn kém trong sản xuất (Hình 6).
Hình 6: Tàu chiến tàng hình Sea Shadow (Mỹ) với mặt phẳng origami
(Nguồn: Wikipedia).
Các nhà tàng hình học vẫn chưa dừng bước ở việc thiết kế hình dáng mà còn tiến thêm bước kế tiếp làm tiết diện radar của một vật thể càng nhỏ hơn. Vấn đề cũng là câu chuyện cũ xoay quanh việc giảm thiểu hoặc lý tưởng hơn là triệt tiêu luồng sóng phản xạ, nhiễu xạ từ thân máy bay. Khi một vật liệu có khả năng hấp thụ một phần hay toàn thể năng lượng sóng tới radar thì sóng phản xạ sẽ giảm thiểu hay hoàn toàn triệt tiêu. Kim loại vì tính dẫn điện rất cao phản xạ gần 100 % sóng radar. Bởi đặc tính nhẹ, cơ tính bền và dễ gia công, nhôm là một vật liệu thích hợp cho việc chế tạo các loại máy bay, và thép được dùng cho tàu bè. Như vậy, nếu không có một bề mặt đặc thù và một lớp sơn tàng hình thì máy bay hay chiến hạm sẽ có tiết diện radar rất lớn.
"Pháo đài bay" B-52 đã từng gầm thét trên bầu trời Việt Nam với lối thả bom rải thảm trong những năm chiến tranh khốc liệt và trên chiếc trường vùng Vịnh, thực ra chỉ một chiếc máy bay bình thường rất đỗi "thật thà" vì không được trang bị những phương tiện "giả dối" để tàng hình. Nếu đánh giá theo quan điểm tàng hình đòi hỏi những đặc tính giống như "ninja" mờ mờ ảo ảo với những hành xử im lìm "xuất quỷ nhập thần" thì B-52 là kẻ đội sổ! Chiếc máy bay ném bom này được người Mỹ liệt kê vào hạng máy bay chiến thuật (tactical) là một vật thể biết bay cao nhưng không biết ẩn hình, vừa ồn ào vừa to xác chỉ lấy sức mạnh đè người. B-52 có chiều ngang đôi cánh là 56 m (máy bay tàng hình B-2: 52 m) và chiều dài là 50 m (B-2: 21 m). Kích thước của B-52 và B-2 có thể coi như là ngang nhau nhưng tiết diện radar của B-52 có độ lớn là 100 m2 so với B-2 là 0,1 m2 (1000 lần nhỏ hơn). F-117 càng nhỏ hơn có trị số là 0,025 m2 (4.000 lần nhỏ hơn). Trên màn hình radar, B-2 hay F-117 có tiết diện tương đương với loài chim [1].
3. Vật liệu hấp thụ radar
Như đã đề cập ở trên, khi sóng điện từ chạm vào một vật thì sự phản xạ, truyền xạ và hấp thụ xảy ra (Hình 2). Muốn làm giảm phản xạ, ta cần gia tăng sự truyền xạ hay hấp thụ. Người vô hình trong quyển tiểu thuyết "Invisible Man" là một nhân vật có chiết suất giống như không khí. Tác giả quyển sách có một ý tưởng ngộ nghĩnh nhưng mang một chút màu sắc khoa học. Khi ánh sáng đi qua hai môi trường có chiết suất giống nhau thì sẽ không có sự phản xạ mà chỉ có sự truyền xạ 100% và nhân vật này trở nên trong suốt đối với ánh sáng; anh ta tàng hình. Sóng radar phần lớn truyền xạ qua thủy tinh, gốm sứ và plastics. Máy bay làm bằng thủy tinh, gốm sứ hay plastic sẽ tàng hình nhờ sự truyền xạ, nhưng chế tạo máy bay bằng các vật liệu này đây là việc không tưởng. Sóng radar cũng truyền xạ qua composite chứa sợi thủy tinh. Sợi thủy tinh bền chắc có thể làm vật liệu cho thân máy bay tàng hình. Nhưng máy móc, vật dụng và con người trong máy bay lại là những vật phản xạ. Giảm phản xạ bằng cách dùng vật liệu truyền xạ là một việc hoàn toàn không thực tế. Chọn lựa còn lại là hấp thụ năng lượng sóng radar để làm giảm thiểu hay triệt tiêu phản xạ. Sự hấp thụ này biến năng lượng sóng thành nhiệt.
Sóng radar thường nằm trong vùng vi ba (microwave) có tần số từ 1 – 18 GHz của phổ điện từ (Hình 4). Ở tần số này bước sóng có chiều dài từ milimét đến vài centimét. Để hiểu rõ sự phản xạ, truyền xạ và hấp thụ của sóng điện từ, ta không cần tưởng tượng mông lung xa vời mà hãy nhìn cái lò vi ba khiêm tốn trong nhà bếp. Lò phát sóng ở tần số 2,45 GHz (bước sóng: 12,2 cm) là tần sóng "anh em" của radar. Ở tần số này nước trong thức ăn như thịt cá, rau cải sẽ hấp thụ năng lượng vi ba và biến thành nhiệt. Kim loại là vật liệu phản hồi vi ba rất tốt. Vách lò kim loại phản xạ toàn bộ vi ba vào thức ăn. Cánh cửa lò được làm bằng thủy tinh để quan sát bên trong lò. Như đã đề cập ở trên, vi ba truyền xạ qua thủy tinh và lọt ra ngoài. Để có sự an toàn, người ta dùng vách kim loại với những lỗ nhỏ có đường kính vài milimét nhỏ hơn bước sóng vi ba (12,2 cm). Nó vừa là bức tường ngăn chặn sự rò rỉ vi ba ra ngoài vừa là cửa sổ quan sát. Thí dụ này cho thấy sự phản xạ từ bề mặt kim loại và sự hấp thụ năng lượng vi ba của một vật khi có điện tính hay từ tính thích hợp. Nước trong thức ăn có điện tính thích hợp cho việc hấp thụ vi ba ở tần số 2,45 GHz.
Trong Thế Chiến thứ 2, không quân Anh đã làm quân đội Đức quốc xã nhiều phen điêu đứng vì những chiến đấu cơ loại nhỏ có tên là Mosquito (Con muỗi). Những "Con muỗi" này bay nhanh, oanh tạc chính xác và làm đối phương điên đầu vì radar phòng không của Đức không nhìn thấy Mosquito! Những trận ra quân và chiến thắng của Mosquito trở thành huyền thoại của Thế chiến thứ 2 và là niềm tự hào của không quân Hoàng gia Anh. Các chiến tích và tự hào này chỉ dựa trên một sự kiện rất đỗi khiêm tốn và đơn giản là thân những chiến đấu cơ "Con muỗi" này được chế tạo bằng... ván ép (plywood). So với kim loại, gỗ là một vật liệu phản xạ sóng radar rất tồi và chính cái "tồi tệ" này mà radar của quân Đức không phát hiện kịp thời các lượt tấn công của "muỗi".
Sự thành công ngoài dự tưởng của chiến đấu cơ Mosquito là một ngẫu nhiên hơn là cố ý. Ngẫu nhiên chiến trường đã trở thành điều may mắn cho nhân loại. Trên luận điểm khoa học cái ngẫu nhiên này một cách gián tiếp cho thấy một điều hiển nhiên nhưng ít người chú ý là phản xạ của sóng radar rất khác nhau giữa nhôm và gỗ. Người Anh không có ý định chế tạo "Mosquito" như một loại máy bay tàng hình. Trong lúc nhôm đã là một vật liệu tuyệt vời chế tạo máy bay, thì việc sử dụng ván ép thật là một ý tưởng lạ lùng, kéo lùi lại kỹ thuật thiết kế thân máy bay trở lại thuở ban sơ của công nghệ hàng không, nhưng vì sự khan hiếm nhôm trong thời chiến họ phải dùng gỗ để thay thế. Gần 8.000 chiếc Mosquito đã được chế tạo và sử dụng trong Thế chiến thứ 2.
Sự khác nhau giữa gỗ và nhôm đã chứng minh rằng sự tương tác giữa sóng điện từ và vật liệu qua các hiện tượng như phản xạ, truyền xạ, hấp thụ, nhiễu xạ và khúc xạ đều tùy thuộc vào điện tính và từ tính của vật liệu đó. Điều này rất thật vì bản chất sóng điện từ, như cái tên đã diễn đạt và qua sự phát hiện của nhà vật lý học James Maxwell, là do sự hôn phối rất là hạnh phúc giữa điện trường và từ trường. Cho nên, tác dụng của sóng điện từ lên một vật liệu gây ra sự dao động lưỡng cực điện (electric dipole) hay lưỡng cực từ (magnetic dipole) của phân tử vật chất. Sự dao động của các lưỡng cực trở nên cực đại khi có sự cộng hưởng xảy ra ở một tần số nào đó tùy vào đặc tính của vật chất. Sự cộng hưởng đưa đến sự hấp thụ năng lượng sóng tối đa ở tần số đó và tan biến thành nhiệt như ta thấy nước trong thức ăn trong lò vi ba ở tần số 2,45 GHz. Mặc dù sự hấp thụ sóng, như ta thấy, là một hiện tượng xảy ra ở thang phân tử, nhưng người ta có thể thiết lập một công thức đơn giản để đo độ phản xạ và hấp thụ của sóng điện từ trên bề mặt các loại vật liệu ở các bước sóng (tần số) khác nhau dựa vào phương trình sóng điện từ nổi tiếng của Maxwell.
Ở đây người viết xin được mở ngoặc nói sơ lược về phương trình sóng điện từ của thiên tài James Maxwell người Scotland vào thế kỷ 19. Khi nói đến sóng điện từ người ta bắt buộc phải nói đến phương trình Maxwell. Bằng bốn công thức đơn giản nhưng súc tích, phương trình sóng Maxwell đã kết hợp điện trường và từ trường, hai thực thể khác biệt, để mô tả bản chất của sóng điện từ. Cái vĩ đại của phương trình này đã khiến cố giáo sư Richard Feynman (Nobel Vật lý 1965) phải thốt lên rằng "Một vạn năm sau hậu thế vẫn xem phương trình Maxwell là một phát hiện vĩ đại nhất của thế kỷ 19. So với nó, những sự kiện lịch sử khác cùng thời sẽ đi vào quên lãng như một việc tầm thường ở tỉnh lẻ". Phương trình Maxwell cho thấy những loại sóng khác nhau từ sóng radio có bước sóng cực dài hàng chục kilomét đến tia X, tia gamma năng lượng cao với bước sóng cực ngắn picomét (10-12 m) đều là bà con họ hàng được gọi chung là sóng điện từ. Phương trình Maxwell còn tính được vận tốc truyền sóng cũng là vận tốc truyền ánh sáng (khoảng 300.000 km/s). Từ sự tương đồng cơ bản này Maxwell đã kết luận ánh sáng thấy được bao gồm ánh sáng đỏ, vàng, xanh, tím, chẳng qua cũng là một vùng sóng trong phổ điện từ.
Sự vĩ đại của phương trình Maxwell là nó đã khai minh một loạt sự kiện khoa học mang tính đột phá có tầm vóc thời đại như: (1) thống nhất điện trường và từ trường, (2) thống nhất các loại sóng, (3) ánh sáng cũng là sóng điện từ và (4) đặt một nền tảng định lượng để lý giải sự tương tác giữa sóng điện từ và vật chất. Trong cuộc sống hiện đại, con người được "tắm" trong sóng điện từ. Không gian sinh hoạt của chúng ta tràn ngập sóng radio cho việc truyền thanh, truyền hình, sóng radar, sóng vi ba, sóng điện thoại và đương nhiên ánh sáng, tia hồng ngoại và tử ngoại từ mặt trời. Nếu không có phương trình sóng Maxwell có lẽ sẽ không có nền thiên văn học hiện đại và cũng sẽ không có những công cụ viễn thông từ những đài thu phát sóng khổng lồ, những tháp ăng-ten cao ngất ngưởng đến chiếc điện thoại di động nhỏ bé. Nó đã tạo một cuộc cách mạng trong các phương thức liên thông giữa con người và đồng loại mà còn nối kết con người với vũ trụ bao la.
Trở lại cái sườn gỗ của Mosquito. Gỗ đã được dùng thành công cho chiến đấu cơ Mosquito, vì gỗ tán xạ và hấp thụ sóng radar làm giảm độ phản xạ do độ dẫn điện của gỗ thấp, nhưng không ai muốn quay về thời mông muội của ngành hàng không. Sự ngẫu nhiên đầy may mắn này chỉ ra một nguyên lý thô sơ là ta phải dùng vật liệu có độ dẫn điện trung bình để gia tăng sự hấp thụ năng lượng sóng làm giảm sóng phản xạ. Việc nghiên cứu vật liệu hấp thụ sóng radar (radar absorbing materials, RAM) ra đời. Xuất phát từ phương trình Maxwell, việc định lượng độ phản xạ của sóng điện từ được diễn tả bằng một công thức đơn giản cho chúng ta những con số tùy theo điện tính, từ tính của vật liệu và tần số sóng. Điện tính được biểu hiện qua độ dẫn điện hay độ điện thẩm (permitivity) và từ tính được biểu hiện bằng độ từ thẩm (permeability) [2] (Phụ lục a). Uy lực của phương trình Maxwell tỏa sáng khi công thức của độ phản xạ ở vùng sóng radar (tần số 1 - 18 GHz) cho thấy sóng radar phản xạ gần như 100 % từ các bề mặt kim loại.
Sau Thế Chiến thứ 2 các chuyên gia tàng hình học vẫn không ngừng nghiên cứu vật liệu hấp thụ sóng radar. Hòa bình trở lại nhưng thế giới lại chìm đắm trong chiến tranh lạnh và nhu cầu "nhìn trộm" lẫn nhau thúc đẩy việc chế tạo những chiến máy bay trinh sát được phủ lớp sơn hấp thụ radar và có thể bay thật cao để tránh radar của đối phương. Từ công thức định lượng độ phản xạ, các nhà khoa học tính được độ dẫn điện (qua độ điện thẩm) và từ tính (độ từ thẩm) của vật liệu thích hợp cho việc hấp thụ trong vùng vi ba (tần số 1 đến 18 GHz). Họ xác nhận các loại bột carbon có độ dẫn điện thấp hay bột sắt (carbonyl iron), oxit sắt hay oxit hợp chất sắt (thí dụ: ferrite) có từ tính thích hợp. Họ chế ra một loại sơn chứa hạt carbon hay chứa bột sắt hay một phức hợp chứa cả hai. Lớp sơn sẽ được phủ lên thân máy bay với độ dày thường là 5 - 10 mm. Những vật liệu này hấp thụ 50 - 90 % năng lượng sóng radar trong vùng vi ba có tần số 1 - 18 GHz.
Lớp sơn dày chứa bột sắt, oxit sắt dễ bị rỉ sét và làm gia tăng trọng lượng của vật thể được phủ khá đáng kể. Yếu tố này gây ra nhiều điểm bất lợi trong khi tính bền của sơn và việc giảm trọng lượng thân máy bay, tàu thủy lúc nào cũng là nguyên lý hàng đầu của các thiết kế công nghệ. Ngoài ra, lớp sơn chỉ hấp thụ radar ở một tần số, nếu không may tần số radar của đối phương nằm ngoài tần số hấp thụ thì lớp sơn vô hiệu. Kết quả là ta mắc lưới radar, ở trong tầm nhìn của phe địch và vận mệnh của ta sẽ nằm trong bàn tay lông lá của đối phương đáng sợ!
Sự ra đời của sợi carbon (carbon fibres) vào thập niên 60 của thế kỷ trước tạo ra các composite có chất nền polymer và sợi carbon vừa nhẹ vừa bền cho các ứng dụng cấu trúc. Giống như hạt carbon, sợi carbon cũng có độ dẫn điện thích hợp cho việc hấp thụ vi ba nên composite sợi carbon vừa là vật liệu cấu trúc vừa là vật liệu tàng hình. Không có gì ngạc nhiên khi composite sợi carbon là một ứng viên sáng giá trong tất cả vật liệu cho chế tạo máy bay, tàu chiến tàng hình hiện đại.
Trong các ứng dụng thực tiễn, vật liệu lý tưởng cho việc hấp thụ radar cần một lúc ba điều kiện là bền, nhẹ và hấp thụ thật nhiều trên một băng tần thật rộng (tương phản với một tần số). Như vậy, các nhà khoa học giải quyết vấn đề này như thế nào? Chúng ta hãy đi vào các phần kế tiếp.
4. Polymer dẫn điện
Kể từ lúc tình cờ được khám phá vào năm 1975, hơn 30 năm qua polymer dẫn điện là một đề tài nghiên cứu sôi động trên mặt cơ sở lẫn ứng dụng. Những công trình nghiên cứu của vật liệu này đã được thu tóm trong một quyển sách tiếng Việt được xuất bản năm 2008 [3]. Polymer dẫn cũng đã từng được nghiên cứu như một vật liệu tàng hình đa năng và "thông minh" [4]. Tương tự như sợi carbon và bột carbon, polymer dẫn điện là một vật liệu hữu cơ có khả năng dẫn điện. Nhưng khác với kim loại và carbon, độ dẫn điện của polymer dẫn có thể được điều chỉnh bằng phương pháp điện hóa (electrochemical). Khi áp dụng vào việc hấp thụ năng lượng sóng radar, khả năng điều chỉnh độ dẫn điện đưa đến việc hấp thụ sóng ở những tần số khác nhau, hay có thể biến vật liệu giả đò "ngu si" phản xạ sóng radar, nhưng khi cần thiết trở lại chức năng "thông minh" cố hữu, hấp thụ sóng radar. Các chiến lược chiến thuật trong chiến tranh là tập hợp của sự "giả dối" và "đánh lừa", và polymer dẫn rất linh hoạt về phương diện này.
Đặc điểm của polymer dẫn là khả năng hấp thụ năng lượng vi ba rất hữu hiệu. Một thí nghiệm nhỏ dùng lò vi ba gia dụng cho thấy khi ta cho vi ba tác dụng lên polymer dẫn, nó sẽ hấp thụ năng lượng sóng và phát nhiệt [5]. Ngoài ra, ta chỉ cần 2% polypyrrole (một loại polymer dẫn điện thông dụng) trộn vào lớp cao su hay lớp sơn dày 2,5 mm là hỗn hợp này có thể hấp thụ ít nhất 90% năng lượng vi ba của băng tần 12 - 18 GHz [6-7]. Một loạt polymer dẫn điện với các cấu trúc hóa học khác nhau như polyaniline, polythiophene và poly(phenylene vinylene) cho hiệu ứng tương tự ở những tần số radar thích hợp. Một đặc điểm khác là polymer dẫn điện có thể ở hai dạng: (1) dạng trung tính cách điện và (2) dạng dẫn điện kết nạp với dopant A. Polymer dẫn được đặt trong bình điện giải và bằng sự thay đổi điện áp của bình, hai dạng sẽ được chuyển hoán như sau,
....MMMMMMMMMMMMMM..... (dạng 1) + A
↑↓
....MMMM+A-MMMMM+A-MMM+A-MMMM..... (dạng 2)
Hình 7: Khi có điện áp (trong hình: "on") polymer dẫn điện phản xạ sóng radar; khi không có điện áp (trong hình: "off") nó hấp thụ radar. Ở tần số khoảng 1,03 GHz, vật liệu này hấp thụ gần 99,9% (-50 dB) năng lượng sóng tới. Trong khoảng 1 đến 1,1 GHz, năng lượng bị hấp thụ là 90 % (-20 dB) [8].
Dạng 1 là dạng trung tính cách điện và dạng 2 là dạng dẫn điện. Dạng 1 không hấp thụ và dạng 2 hấp thụ sóng radar [Hình 7]. Như vậy, polymer dẫn điện trở nên một vật liệu thông minh "hư hư thực thực" đánh lừa đối phương, khi cần thiết sẽ là một vật liệu tàng hình, khi không cần thiết lại là một vật liệu "ngu si" phản hồi sóng radar [8-10]. Tuy nhiên, bình điện giải để thực hiện điều này dù cho ở kích cỡ nào hay hình dạng nào cũng không phải là một linh kiện thích hợp cho các thiết kế máy bay hay tàu tàng hình.
Vào năm 2001 một nhóm nghiên cứu tại Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (Chinese Academy of Sciences) đã tổng hợp polyaniline - một polymer dẫn điện thông dụng - có dạng hình ống ở kích cỡ micromét [11]. Bình thường, polymer dẫn điện như tên gọi đã định nghĩa chỉ có tác dụng điện. Nhưng khi polyaniline ở dạng hình ống thì có tác dụng từ tính trong băng tần quan trọng của sóng radar (1 - 18 GHz). Phải nói đây là một phát hiện thú vị bởi vì rất hiếm có một vật liệu nhẹ như polymer mang khả năng hấp thụ sóng radar bằng cả hai cơ chế từ và điện. Những vật liệu từ tính hấp thụ radar như bột sắt hay oxit sắt có tỷ trọng rất nặng và dễ bị ăn mòn (rỉ sét). Đây không phải là vật liệu lý tưởng cho máy bay, nơi mà đặc tính nhẹ cân là một điều kiện thiết kế quan trọng hàng đầu, hay tàu chiến phải thường xuyên tiếp cận với nước biển. Hơn nữa, việc trộn thành phần điện như carbon vào thành phần từ như oxit sắt không cho hiệu ứng đồng vận (synergetic effect) [7]. Polyaniline của nhóm nghiên cứu Trung Quốc thỏa mãn điều kiện nhẹ cân và mang cả hai đặc tính điện và từ. Tuy nhiên, sau bài báo cáo năm 2001 người viết không tìm thấy những tư liệu tiếp theo nói đến việc triển khai polyaniline dạng ống trong các áp dụng tàng hình.
5. Vật liệu nano
Ống than nano và các hạt nano kim loại và oxit kim loại càng ngày càng đa dạng và phương cách sản xuất càng được nâng cao tạo ra những sản phẩm đại trà. Vật liệu nano mang đến nhiều ứng dụng và hiệu ứng tàng hình cuả vật liệu này cũng là một đề tài nghiên cứu cuả các nhà tàng hình học. Người ta khi phối hợp polymer dẫn điện và ống than nano tạo thành composite đã thấy composite này hấp thụ vi ba nhiều hơn khi chỉ có đơn độc một thành phần [12]. Điều này chứng tỏ có hiệu ứng đồng vận xảy ra giữa polymer dẫn và ống than nano.
Hiện nay chưa có nhiều công bố về sự hấp thụ radar của hạt nano. Khi kích thước một vật liệu được thu nhỏ thì diện tích bề mặt của toàn thể hạt nano sẽ gia tăng với một số lần tương đương. Hạt sắt, oxit sắt và hạt carbon dùng trong việc hấp thụ sóng radar có độ lớn micromét. Hạt nano có kích thước khoảng 1.000 lần nhỏ hơn hạt micromét. Bằng một phương pháp tính toán đơn giản, ta biết được diện tích bề mặt cuả toàn thể hạt nano sẽ 1.000 lần lớn hơn so với hạt micromét ở cùng một thể tích. Khi có sự gia tăng bề mặt, những đặc tính của vật liệu sẽ gia tăng rất nhiều lần. Đặc tính hấp thụ năng lượng sóng vi ba radar gây ra bởi sự gia tăng từ tính và điện tính của vật liệu nano cũng không nằm ngoài nguyên tắc này. Mặc dù các loại hạt nano kim loại, oxit kim loại, chất bán dẫn, ống than nano càng lúc càng đa dạng và tinh vi, người viết vẫn chưa tìm thấy các báo cáo công khai nói về tiềm năng của vật liệu nano trong các ứng dụng tàng hình.
Một điều thú vị khác mà vật liệu nano có thể cống hiến cho hiệu ứng tàng hình là khả năng hấp thụ năng lượng trong vùng hồng ngoại (infrared). Trong phổ điện từ, vùng hồng ngoại nằm cạnh vùng vi ba (Hình 4). Nhiệt phát ra từ động cơ, hay do sự ma sát của không khí ở phần đầu, phần đuôi và rìa cánh máy bay trong các phi vụ. Nhiệt sinh ra bức xạ hồng ngoại mà các bộ cảm ứng trong tên lửa "lùng và diệt" của đối phương có thể cảm nhận. Khi đã phát hiện, tên lửa chỉ bám theo nguồn nhiệt và phá tung mục tiêu. Vì vậy bức xạ hồng ngoại cần phải được phát tán không bị bộ cảm ứng của đối phương phát hiện. Việc triển khai vươn tay đến vùng sóng "láng giềng" kề cận vi ba là một việc khả thi của vật liệu nano.
6. Vật liệu hấp thụ radar biết ứng biến
Các đài radar quân sự phát sóng để truy lùng máy bay hay tàu chiến đối phương ở những tần số bí mật. Đó là một trong những thông tin cực mật quốc gia. Tần số này ở đâu đó trong vùng 1 – 18 GHz và đây là băng tần rất rộng trong khi vật liệu hấp thụ radar chỉ có thể mang đến hiệu quả ở một tần số nhỏ hẹp. Nếu ta có một vật liệu hấp thụ radar tuyệt vời nhưng nằm ngoài tần số của đối phương thì hiện tượng "trớt quớt" xảy ra và hình bóng của ta sẽ lồ lộ hiện lên màn hình radar của đối phương. Nếu là radar của tên lửa thì chỉ trong một khoảnh khắc tên lửa háo hức tìm ta mà đâm vào! Việc truy lùng và phản kích cũng giống như hoạt cảnh trong phim hoạt hình "Tom and Jerry". Chú mèo Tom dùng mọi cách để tóm cậu tí nhắt Jerry nhưng Jerry không chịu thua, vừa tìm cách trốn lánh vừa quay lại phản kích đánh phủ đầu mèo Tom tạo nên một cảnh bát nháo vô cùng thú vị. Cậu tí Jerry lúc nào cũng thắng vì cậu khôn khéo biết tiên liệu được ý đồ của mèo Tom nên tiến thoái nhịp nhàng đánh mèo Tom những trận đòn nên thân.
Việc tiên liệu ý đồ của đối phương nằm trong sách lược "Biết người biết ta". Nhưng việc tiên liệu tần số radar của phe bên kia để "biết người" dành phần thắng cho ta thì như chuyện mò kim đáy biển, "non cao đất rộng biết đâu mà tìm"! Có lẽ ta phải cần đến sự thông minh và can đảm của điệp viên tầm cỡ James Bond 007 cùng với nàng kiều nữ khêu gợi đi vào đất địch mang về những thông tin cực mật cho phe ta. Nhưng các công trình nghiên cứu của nhóm Chambers (University of Sheffield, Anh Quốc) sẽ cho James Bond về vườn nghỉ hưu sớm! Nhóm Chambers cho thấy không cần phải sử dụng tài sức của một James Bond hào hoa nhưng thích thập thò làm cái việc "đánh cắp" tài liệu mật khi ta có khả năng thiết kế được một bề mặt được phủ bởi vật liệu hấp thụ radar có đặc tính ứng biến động (dynamic adaptive radar absorbing materials, DARAM) còn gọi là mặt phủ "thông minh". Mặt phủ này giúp ta chế ngự được sóng tới radar dù ở bất cứ tần số nào [8-9, 13].
Theo nhóm Chambers, ta cần hai điều kiện. Điều kiện thứ nhất là nếu điện trở (hay độ dẫn điện, độ dẫn điện tỷ lệ nghịch với điện trở) của lớp phủ được thay đổi thì tần số hấp thụ radar có thể được di chuyển qua lại (nên là "động", dynamic) trên một băng tần rộng lớn. Điều kiện thứ hai là phía sau lớp phủ ta đặt một bộ cảm ứng để phát hiện tần số radar đối phương. Khi luồng radar chạm vào lớp phủ, bộ cảm ứng sẽ lập tức xác nhận tần số radar và sẽ báo cho lớp phủ biết để kịp thời "ứng biến" (adaptive) điều chỉnh đến tần số hấp thụ bằng một vi mạch liên thông (Hình 8) [9]. Không những như thế, khi sóng radar của đối phương chuyển sang tần số khác hệ thống này còn có khả năng di chuyển sự hấp thụ sóng đến tần số tương ứng để triệt tiêu nguồn đe dọa mới [8]. Tất cả trình tự của mọi thao tác phải diễn biến cực nhanh, vài giây đồng hồ, và phải đi trước những bước kế tiếp của đối phương nhanh chóng làm nhòa những luồng sóng radar đe dọa. Thật là một hệ thống thông minh. Nhưng đây chỉ là một cấu tưởng điện học cho thấy nguyên lý ứng xử của một hệ thống vừa hấp thụ năng lượng sóng điện từ vừa tự động di chuyển đến tần số hấp thụ (absorb while scanning).
Hình 8: Hệ thống vật liệu hấp thụ radar biết ứng biến (DARAM)
và bộ cảm ứng xác nhận tần số của sóng tới.
Vậy vật liệu nào có thể sử dụng tạo ra lớp phủ thông minh để thực hiện cấu tưởng này? Người ta nghĩ ngay đến polymer dẫn điện. Như đã đề cập ở trên, độ dẫn điện (hay điện trở) của polymer có thể thay đổi bằng một quá trình điện hóa. Ngoài ra, polymer dẫn còn mang tính chất của một tụ điện [8]. Khi có một kích hoạt điện hóa, vật liệu này có thể thay đổi độ dẫn điện và điện dung (capacitance) của tụ điện để tạo thành một lớp phủ hấp thụ radar "thông minh". Đây là một đặc tính vượt trội hơn bột carbon hay bột sắt, oxit sắt cổ điển chỉ mang điện tính hay từ tính bất biến, thụ động và "vô cảm" trước mọi kích thích từ ngoài. Tuy nhiên, việc sử dụng polymer dẫn trong lớp phủ hấp thụ radar gặp hai trở ngại lớn. Trở ngại thứ nhất liên quan đến đặc tính không ổn định nhiệt (thermally unstable) cố hữu của các loại polymer mà ta thường biết qua cái tên thông dụng là plastic. Trong kinh nghiệm thường ngày, chúng ta đều biết polymer biến tính và phân hủy ở được nhiệt độ cao (80 – 200 °C) và bởi tia tử ngoại trong ánh sáng mặt trời. Độ dẫn điện của polymer sẽ bị biến đổi hay bị triệt tiêu bởi những tác nhân này. Trở ngại thứ hai là sự thay đổi tần số hấp thụ sóng radar của polymer dẫn trong lớp phủ thông minh có thể kéo dài nhiều phút. Sự ứng biến này quá chậm so với tốc độ biến hoá trong vòng "vài tích tắc" của radar đối phương loại trừ việc sử dụng polymer để chế tạo lớp phủ "thông minh".
Nhưng các bế tắc này không làm nhóm Chambers chùn bước. Việc chế tạo vật liệu lý tưởng vừa nhẹ, vừa mỏng và có thể hấp thụ sóng radar bao trùm một băng tần rộng (broadband) có thể ứng phó với tất cả tần số của đối phương là mục tiêu tối hậu mà các nhà tàng hình học muốn đạt tới. Nhóm Chambers chuyển hướng nghiên cứu và triển khai mô hình điện học cho việc chế tạo một cấu trúc hấp thụ năng lượng radar trên một băng tần rộng. Họ không chú trọng đến các vật liệu đã biết như hạt carbon, bột sắt, hợp chất oxit hay polymer dẫn mà tập trung vào một cấu trúc mà đơn vị tạo thành có cả ba đặc tính là điện trở, điện dung và điện cảm (inductance) (Phụ lục b). Trên phương diện thực nghiệm, họ chọn diode có ba đặc tính cần thiết trên, một linh kiện thông dụng trong các ứng dụng điện tử, làm đơn vị cấu trúc. Trên một bề mặt của bảng mạch in (printed circuit board) có diện tích 18,5 x 12,5 cm dày 0,8 mm họ cài vào 180 diode. Khi có dòng điện chạy qua, cấu trúc này có thể hấp thụ 90 - 95% năng lượng của sóng tới radar trên một băng tần từ 8 GHz đến 14 GHz. Đây là những con số đáng kinh ngạc cho một cấu trúc tương đối đơn giản và rất mỏng. Khi một vật thể có độ lớn của chiếc máy bay to trung bình hấp thụ 90 - 95% năng lượng sóng, tiết diện radar của nó tương đương với một con chim bồ câu! Không có dòng điện, cấu trúc giả vờ "ngu si" phản hồi sóng radar.
So với các vật liệu hấp thụ truyền thống, có thể nói đây là một cấu trúc đạt đến đỉnh cao của "thông minh" và mang đến những điều kiện lý tưởng cho việc hấp thụ sóng radar. Cấu trúc diode đơn giản này có thể được triển khai bằng cách kết hợp với các linh kiện điện tử phức tạp khác để mở rộng hơn nữa băng tần hấp thụ. Tiếc thay, người viết không tìm thấy những bài báo cáo cùng đề tài sau bài viết đầu tiên năm 2004 [14].
7. Siêu vật liệu
Tính chất của một vật liệu như cơ tính, hóa tính, lý tính, điện tính, từ tính, quang tính là những đặc tính tùy thuộc vào bản chất hóa học của các phân tử làm nên vật liệu đó. Đó là những điều hiểu biết kinh điển. Khi muốn biến đổi tính chất của một vật liệu, người ta thường có khuynh hướng dùng các phương pháp cải biến hóa học để thực hiện. Thí dụ, cho vào sắt một vài phần trăm carbon để chế tạo thép có độ cứng và độ bền tốt hơn sắt. Điện tính của chất bán dẫn silicon cũng đuợc biến đổi bởi các chất tạp gọi là dopant. Trong vật liệu polymer, ta có thể tiên đoán được các tính chất của polymer từ các đặc tính của phân tử (monomer) tạo thành. Từ đó, ta có thể dùng các loại monomer khác nhau, biến đổi một cách "hóa học" để tạo một composite với các đặc tính tối ưu. Như thế, biến đổi tính chất vật liệu qua các phương pháp hóa học như tổng hợp, gia công với chất phụ gia hay tạo các loại composite đã trở thành những phương thức chế biến lâu đời trong khoa học vật liệu.
Tương tự, trong quang học và điện từ học đặc tính điện và từ của vật chất là yếu tố quan trọng trong việc tận dụng và chế ngự ánh sáng theo các nhu cầu. Chẳng hạn như các loại thấu kính máy ảnh, kính mắt hay sợi quang (optical fibre) được thiết kế dựa vào việc điều chỉnh hóa tính của vật chất để cung cấp các đặc tính thích hợp cho từng ứng dụng. Thí dụ, người ta điều chỉnh thành phần hóa học của sợi quang để có thể truyền quang trên đoạn đường dài; cho chì vào thủy tinh để gia tăng chiết suất làm lăng kính hay ly tách gia dụng sang trọng; cho hạt nano vàng vào để chế tạo thủy tinh nhiều màu dùng cho việc trang trí như trong các khung cửa giáo đường. Một thí dụ cho một ứng dụng quang học khác là người ta dùng các loại plastic (polymer) trong suốt thay cho thủy tinh để giảm trọng lượng cho các loại kính cận. Nhưng chiết suất của các loại polymer lại nhỏ hơn thủy tinh, cho nên kính plastic dày hơn kính thủy tinh. Để gia tăng chiết suất, kính plastic thường được cải biến bằng cách dùng các nhóm chức chứa bromine (Br) làm giảm độ dày của kính nhưng vẫn duy trì được tiêu cự (độ của kính), nhẹ hơn và hơn hết là gìn giữ được vẻ đẹp của gương mặt người mang.
Những thí dụ trên cho thấy khi phân tử được cải biến thì các tính chất quang học và điện từ của vật chất cũng được cải biến. Nhưng đây không phải là con đường duy nhất để định đoạt những đặc tính điện từ của vật chất. Từ năm 2000, một loại vật liệu nhân tạo gọi là "siêu vật liệu" (metamaterial) được khám phá và đang trở thành một đề tài nghiên cứu "nóng" trong các đại học, viện nghiên cứu doanh nghiệp và quốc phòng. Khác với vật liệu chế biến từ thiên nhiên như chất vô cơ (chất bán dẫn), hữu cơ (carbon, polymer), kim loại và oxit kim loại, siêu vật liệu là một cấu trúc được thiết kế hoàn toàn nhân tạo bằng cách bố trí (engineer) những đơn vị cấu trúc sao cho các đặc tính điện từ quan trọng như độ từ thẩm và độ điện thẩm có trị số theo ý muốn kể cả trị số âm. Đặc tính và hình dạng của những đơn vị này sẽ được đề cập ở phần sau.
Cơ quan "European Virtual Institute for Artificial Electromagnetic Materials and Metamaterials" định nghĩa siêu vật liệu là "một sắp xếp của các thành phần cấu trúc nhân tạo được thiết kế để đạt được những đặc tính điện từ thuận lợi và khác thường" (an arrangement of artificial structural elements, designed to achieve advantageous and unusual electromagnetic properties) [15]. Tạp chí Nature đã xem việc phát hiện siêu vật liệu như là một cột mốc quan trọng trong lịch sử vật lý mang tầm vóc ngang hàng với việc khám phá laser, pin mặt trời hay thông tin lượng tử (quantum information). Không gì ngạc nhiên khi cơ quan DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) của chính phủ Mỹ tỏ ra rất hào phóng trước những đề án nghiên cứu siêu vật liệu và trong mười năm qua đã tích cực tài trợ các cuộc hội thảo liên quan đến lý thuyết và ứng dụng của vật liệu này. Cho đến nay (năm 2010), các bài báo cáo về những thành quả nghiên cứu của siêu vật liệu đã được đăng tải lên các tạp chí chuyên ngành nổi tiếng như Science, Nature, Nature Materials, Physical Review Letters, gia tăng theo cấp lũy thừa có đến số ngàn, chưa kể đến những bài tổng quan đặc sắc trong Scientific American, Physics Today, Physics World, Materials Today, MRS Bulletin v.v...
Như chúng ta sẽ thấy ở phần kế tiếp, so với vật liệu cổ điển từ thiên nhiên những đặc tính điện từ của siêu vật liệu rất khác thường và phản trực cảm, đi ngược lại những thường thức mà người ta đã biết từ những kinh điển chính quy. Chính vì sự khác thường và phản trực cảm, vật liệu nhân tạo này được biểu hiện bằng tiền tố "siêu" dịch từ chữ "meta" có nguồn từ tiếng Hy Lạp, nghĩa là "vượt" (beyond). Siêu vật liệu "vượt" qua những vật liệu cổ điển nằm ở ý nghĩa là khi đơn vị cơ bản của vật chất như chúng ta thường biết là phân tử, thì trong siêu vật liệu là những đơn vị cấu trúc nhân tạo có kích cỡ từ milimét đến nanomét. Siêu vật liệu cho ta một khái niệm mới và phương thức mới tập trung vào việc cải biến các đơn vị cấu trúc hơn là thay đổi đặc tính hóa học của phân tử như trong các vật liệu cổ điển. Những đơn vị này có thể xem như "phân tử" theo nghĩa rộng, quyết định các chức năng và đặc tính điện từ của siêu vật liệu. Chúng có thể là que micro/nano vàng, sợi micro/nano bạc, mạng lưới vi mô hay là một vòng kim loại có khe hở [16] [Hình 9]. Hình dáng, kích thước và cách sắp xếp của những đơn vị này đã được tính toán trước để thích ứng cho một ứng dụng gây ra do kết quả của sự tương tác giữa siêu vật liệu và sóng điện từ.
Hình 9: Một thí dụ về đơn vị cấu trúc của một siêu vật liệu dùng trong vi ba: (a) Vòng kim loại đồng có khe hở kích cỡ milimét, (b) Cứ sáu vòng thì làm nên một đơn vị được in lên hai bảng nền cách điện cao 1 cm gắn thẳng góc vào nhau [16].
Trong việc thiết kế siêu vật liệu những đơn vị tạo thành phải nhỏ hơn bước sóng của sóng điện từ đuợc sử dụng. Như thế, sóng điện từ không thể "nhìn" được từng chi tiết của đơn vị mà chỉ "thấy" một vật liệu đồng nhất, giống như ta nhìn một ly thủy tinh chứa nước chỉ thấy nước và thủy tinh, mà không thấy phân tử thủy tinh hay phân tử nước. Thí dụ, sóng vi ba có bước sóng vài centimét, đơn vị cấu trúc để tương tác với vi ba có thể ở cấp milimét. Ta thoải mái thiết kế và cải biến những đơn vị cấu trúc ở kích cỡ này để thao túng đường đi của sóng mà sóng "không hề hay biết". Đối với ánh sáng thấy được (có bước sóng vài trăm nanomét), việc thiết kế đòi hỏi kỹ năng của công nghệ nano với sự chính xác ở cấp nanomét.
Siêu vật liệu có lẽ không xuất hiện nếu không có lý thuyết của một nhà khoa học người Nga tên là Veselago và sự bén nhạy của giáo sư vật lý John Pendry tại Imperial College London (Anh Quốc). Độ từ thẩm và độ điện thẩm của vật chất thiên nhiên phần lớn có trị số dương và không có vật chất nào đồng thời cùng có trị số âm. Nhưng vào năm 1968, Veselago nảy sinh một ý tưởng lạ đời rằng nếu ta có một vật liệu mà độ từ thẩm và độ điện thẩm đồng thời có trị số âm thì sự đời sẽ đổi thay như thế nào? Ông phát biểu những tính toán và suy luận trên tạp chí Soviet Physics Uspekhi [17]. Tuy nhiên, bài báo vật lý mang ý nghĩa mông lung này dễ dàng chìm vào quên lãng. Bỗng nhiên, một ngày đẹp trời nào đó vào năm 2000 khi cộng đồng nghiên cứu khoa học đưa ra khái niệm "siêu vật liệu" với tiềm năng chế tạo những vật liệu có độ từ thẩm và độ điện thẩm ở bất kỳ trị số nào cả dương lẫn âm và zero, thì những điều tiên đoán trong bài báo cáo của Veselago nằm im lìm hơn 30 năm qua trong một xó xỉnh đầy bụi được lôi ra ánh sáng. Lý luận của ông trở thành một chuẩn mực vì vật liệu có độ từ thẩm và độ điện thẩm âm là một siêu vật liệu tối thượng mà các nhà khoa học muốn đạt tới. Cũng rất dễ hiểu khi bài báo cáo của Veselago chỉ vỏn vẹn 6 trang giấy nhưng đã được trích dẫn hơn 3.000 lần trong 10 năm qua, một con số rất to chứng tỏ địa vị tiên phong và tầm quan trọng của lý thuyết Veselago.
Quang học cơ bản cho ta biết rằng độ từ thẩm và độ điện thẩm có liên quan trực tiếp đến chiết suất (Phụ lục c). Chiết suất của không khí (xem không khí như là chân không) là 1 trong khi chiết suất của nước là 1,33, thủy tinh là 1,5. Trị số của chiết suất là dương. Khi tia sáng (hay sóng điện từ) đi từ môi trường này đến môi trường kia có chiết suất khác nhau thì đường đi của ánh sáng sẽ bị khúc xạ ở mặt tiếp giáp. Đó là những hiện tượng thường thấy khi tia sáng đi từ không khí sang môi trường nước (hay thủy tinh). Vật liệu "giả tưởng" trong bài viết của Veselago có độ từ thẩm âm và độ điện thẩm âm nên chiết suất cũng là một số âm. Người ta gọi đây là vật liệu có chiết suất âm (negative refractive index materials, NIM) và như đề cập ở trên đây là siêu vật liệu các nhà khoa học đang nhắm tới vì các tiềm năng ứng dụng "đổi đời" trong quang học, điện từ học, điện tử học và quang điện tử (photonics). Hình 10a và 10b [18] minh họa hai trường hợp khúc xạ trong môi trường có chiết suất dương và chiết suất âm.
Hình 10a: Nguyên lý khúc xạ của ánh sáng trong (a) môi trường chiết suất dương và (b) môi trường chiết suất âm.
Hình 10b: Khúc xạ trong chất lỏng có chiết suất dương (hình trái) và trong chất lỏng giả tưởng có chiết suất âm [18].
Những kết quả khoa học thường đến trong tay những người nghiên cứu qua một sự ngẫu nhiên. Ý tưởng về siêu vật liệu tàng hình cũng ngẫu nhiên phát xuất từ một mẫu vật liệu hấp thụ radar. Vào giữa thập niên 90 của thế kỷ trước, công ty Marconi Materials Technology (Anh Quốc) chuyên sản xuất những vật liệu tàng hình thương mại đã nhờ Pendry tư vấn về cơ chế hấp thụ radar của một mẫu sợi carbon. Pendry phát hiện một điều thú vị là điện tính của carbon tạo ra sự hấp thụ sóng radar không những từ bản chất cố hữu của carbon mà còn do hình dạng dài và mỏng của sợi carbon. Việc khám phá về sự liên hệ giữa điện tính và hình dáng vật liệu này khiến ông liên tưởng đến một liên hệ tương tự cho từ tính. Câu hỏi ông đặt ra là: có khả năng nào chế tạo một vật liệu phi từ (non-magnetic) trở nên vật liệu mang từ tính bằng cách điều chỉnh hình dạng của vật ấy? Suy nghĩ này không phải là hoang tưởng mà có cơ sở lý luận phảng phất trong các công thức của phương trình Maxwell. Rằng là khi có một dòng điện chạy ngang một vật (chẳng hạn như sợi dây hay vòng kim loại) thì từ trường cảm ứng sẽ phát sinh xung quanh vật đó. Từ nguyên lý cơ bản này, sự tưởng tượng đưa Pendry tiến thêm một bước nữa là nếu ta tạo ra vô số vòng cực nhỏ bằng đồng (đồng là kim loại phi từ) rồi cài chúng vào một chất nền, sau đó cho dòng điện chạy qua các vòng này thì ta sẽ có một cảm ứng từ. Nếu ta kết hợp sợi carbon mang điện tính của công ty Marconi tạo ra một hỗn hợp với các vòng tí hon với cảm ứng từ thì ta có cơ may chế ngự được bức xạ điện từ theo ý muốn. Pendry vô hình trung đã có những ý niệm tiên khởi tạo ra một siêu vật liệu có khả năng tạo hiệu ứng tàng hình trong một băng tần vô cùng rộng lớn kéo dài từ vùng vi ba đến vùng ánh sáng thấy được.
Hình 11: Siêu vật liệu hay vật liệu có chiết suất âm đầu tiên. Đơn vị cấu trúc (Hình 9) được lắp ráp thành một hệ thống lập thể có trình tự nhất định với các vòng đồng có khe hở cho độ từ thẩm âm và sợi dây đồng cho độ điện thẩm âm trong vùng vi ba.
Độ điện thẩm âm hiện diện trong một số vật liệu nhưng độ từ thẩm âm là một điều hiếm có. Vật liệu cùng có đồng thời hai trị số âm và do đó có chiết suất âm theo ý tưởng của Veselago, lại càng hiếm hoi nếu không nói là vô vọng. Nhưng, "đừng tuyệt vọng, em ơi đừng tuyệt vọng"! Người hùng Pendry sừng sững xuất hiện như một vị cứu tinh… Việc tạo ra độ điện thẩm âm tương đối dễ dàng hơn độ từ thẩm âm nên Pendry đặc biệt quan tâm đến từ tính của vật liệu. Xuất phát từ vật phi từ biến thành vật mang đặc tính từ, Pendry suy diễn tiếp khả năng biến đổi hình dáng và kích thước của vòng kim loại đồng để tạo một độ từ thẩm âm. Ông và các cộng sự đề nghị vòng kim loại có một khe hở có thể cộng hưởng và tạo ra độ từ thẩm âm khi tác dụng với sóng điện từ [19]. Ông gọi tên đơn vị cấu trúc này là vòng cộng hưởng hở (split ring resonator). Nhóm nghiên cứu San Diego tại Đại học California (San Diego, Mỹ) tiếp tục phát huy cấu trúc này và lần đầu tiên trong lịch sử khoa học tạo ra một vật liệu có chiết suất âm được công bố trong ba bài báo cáo quan trọng [20-22]. Đây là một cấu trúc lập thể được tạo thành bằng những vòng kim loại đồng có khe hở in ở mặt trước và sợi đồng theo chiều dọc ở mặt sau [22] (Hình 11). Khi sóng vi ba tác dụng lên cấu trúc lập thể này thì vòng đồng sản sinh ra độ từ thẩm âm và sợi đồng cho độ điện thẩm âm. Từ góc khúc xạ của sóng, nhóm nghiên cứu San Diego tìm thấy trị số chiết suất của siêu vật liệu này là -2,7 [22].
Công trình thực nghiệm của nhóm San Diego khẳng định lý thuyết của Veselago và đã biến giấc mơ Veselago thành hiện thực. Cấu trúc lập thể với các kết quả thí nghiệm của nhóm San Diego là một bước nhảy vọt trong quang học và điện từ học, một niềm hân hoan của phe "khẳng định" nhưng lại là một mối hoài nghi của phe "phủ định". Các nhà khoa học không dễ dàng chấp nhận những gì quá mới đi ngược với cái trực cảm vốn có, hay những đột phá muốn chọc thủng quán tính của tư duy. Hoài nghi là một đặc tính chung của các nhà khoa học và nó ám chỉ rằng dưới kết quả được phát hiện của một cuộc thí nghiệm vẫn còn nhiều việc phải làm và nhiều điều phải được lý giải nghiêm túc theo đúng các quy luật vật lý. Nhưng trước khi đám bụi mù của những cuộc tranh luận lắng đọng thì đã có rất nhiều đề xuất ứng dụng cho siêu vật liệu. Vật liệu chiết suất âm đã mở ra hàng loạt những tiềm năng mới cho các dụng cụ quang học, điện từ, quang điện tử, sinh học và sinh y học. Đặc biệt, những thành công ở vùng sóng vi ba trở thành nền tảng cho việc chế tạo siêu vật liệu với bố trí cấp nano (nano-engineering) để triển khai tới các vùng sóng với bước sóng ngắn hơn như vùng hồng ngoại và ánh sáng thấy được - những vùng sóng cho con người nhiều ứng dụng hữu ích.
Dựa theo ý tưởng của Veselago, chúng ta hãy xem siêu vật liệu có thể đóng góp nào để cải thiện một dụng cụ quang học đơn giản nhất: cái thấu kính.
8. Siêu vật liệu và siêu thấu kính
Veselago thảo luận đường đi của ánh sáng qua một thấu kính giả tưởng có chiết suất âm mà bây giờ người ta gọi là "siêu thấu kính" (superlens) (Hình 12). Vào năm 2000, Pendry hồi sinh và triển khai lý thuyết Veselago qua bài viết có tựa đề là "Negative refraction gives a perfect lens" (Chiết suất âm làm ra chiếc thấu kính lý tưởng) [23]. "Chiếc thấu kính lý tưởng" trong bài viết của Pendry có nghĩa là siêu thấu kính. Báo cáo này đã làm sôi nổi cộng đồng nghiên cứu quang học và điện từ học. Trong khi Veselago còn ngập ngừng ở giai đoạn lý thuyết và giả tưởng thì Pendry hùng hồn khẳng định và chứng minh rằng việc chế tạo vật liệu chiết suất âm là khả thi và siêu thấu kính hiện hữu với những tiềm năng tuyệt vời.
Hình 12: Đường đi của ánh sáng đi qua (a) một thấu kính bình thường có chiết suất dương và (b) siêu thấu kính có chiết suất âm.
Tại sao gọi là "siêu thấu kính"? Thấu kính là một bộ phận trung tâm của các dụng cụ quang học từ cái máy ảnh bình thường, kính hiển vi quang học đến kính viễn vọng thiên văn. Dù được chế tạo cực kỳ hoàn hảo, không chứa những khuyết tật gây ra trong quá trình sản xuất, thấu kính quang học vẫn không cho hình ảnh rõ rệt của vật quan sát khi vật này có kích thước tương đương với bước sóng ánh sáng. Nếu bước sóng của ánh sáng trắng là 550 nm (nanomét) (trung bình cộng của bước sóng ánh sáng tím 400 nm và ánh sáng đỏ 700 nm) thì hình ảnh của vật nhỏ hơn 550 nm (độ lớn của vi-rút) trong kính hiển vi quang học sẽ bị nhoè vì nhiễu xạ (diffraction). Tuy nhiên, siêu thấu kính làm từ vật liệu có chiết suất âm sẽ không bị ảnh hưởng của sự nhoè ảnh do nhiễu xạ. Điều này cho thấy siêu thấu kính sẽ cho con người một dụng cụ quang học để quan sát một vật có độ lớn nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng [24].
Khả năng "kỳ quái" của siêu thấu kính làm tan biến sự nhòe nhiễu xạ lập tức có những đề nghị ứng dụng trong li-tô quang học (optical lithography) hay tạo ra những vi mạch đến cấp nanomét, sản xuất các loại đĩa quang học (DVD, CD) với lượng trữ dữ liệu vài trăm lần nhiều hơn và tiềm năng xử lý dữ liệu bằng ánh sáng trong máy vi tính hay dụng cụ điện tử. Ngoài ra, kính hiển vi có một vai trò đặc biệt trong sinh học. Việc quan sát vi-rút, phân tử sinh học như DNA, protein bằng kính hiển vi điện tử là một thường thức, nhưng tiếc thay tia điện tử mang năng lượng cao sẽ "giết" những phân tử sinh học này trong lúc quan sát. Kính hiển vi quang học dùng ánh sáng qua siêu thấu kính sẽ cho ta thấy vật chất sinh học trong trạng thái "sống" và đây sẽ là chiếc chìa khóa để giải mã những bí mật sinh học duy trì sự sống của mọi sinh linh ở tận cùng phân tử. Ngày xuất hiện các sản phẩm này trên thương trường có lẽ còn xa, nhưng theo Pendry giấc mơ của Veselago dứt khoát đang trở thành hiện thực và một thập niên đã trôi qua cho thấy những thành quả đầy kinh ngạc trong lĩnh vực này.
Comment