Siêu vật liệu quang tử

79

Tinh thể quang tử là các cấu trúc nanô quang học có ảnh hưởng đến sự lan truyền của các hạt photon trong nó tương tự như cách mà các tinh thể bán dẫn tác động lên chuyển động của electron. Các tinh thể quang tử xuất hiện một cách tự nhiên trên vỏ Trái Đất ở nhiều dạng và đã được nghiên cứu từ đầu thế kỷ 20.

Giới thiệu

Tinh thể quang tử được tạo thành từ các cấu trúc nanô điện môi hoặc kim loại-điện môi được thiết kế để tác động lên sự lan truyền của sóng điện từ tương tự như cách các hố năng lượng tuần hoàn trong các tinh thể bán dẫn tác động lên chuyển động của electron; tức là tạo ra cáccấu trúc năng lượng của trạng thái photon trong tinh thể. Ở đây, một vùng trống trong cấu trúc năng lượng photon là những kiểu lan truyền mà sóng điện từ không được phép, hay những dải bước sóng không lan truyền được. Điều này dẫn đến các hiện tượng như ngăn cản phát xạ tự phát, gương định hướng có độ phản xạ cao hay ống dẫn sóng có độ hao tổn thấp.

Bản chất của các hiện tượng quan sát được là sự nhiễu xạ của sóng điện từ, trong đó chu kỳ không gian của các cấu trúc tinh thể phải có cùng kích cỡ với bước sóng của sóng điện từ (tức là vào cỡ vài trăm nm cho các tinh thể quang tử làm việc với ánh sáng). Đấy là một khó khăn kỹ thuật cho việc chế tạo các tinh thể quang tử nhân tạo.

Tinh thể quang tử tự nhiên

Một ví dụ của tinh thể quang tử tự nhiên là opal. Các màu sắc của nó là do nhiễu xạ Bragg trên các mắt tinh thể của nó.

Một hệ tinh thể quang tử tự nhiên khác có thể quan sát được trên cánh một số loài bướm, như loài Morpho [1].

Ứng dụng

Các tinh thể quang tử có thể được ứng dụng để điều khiển sự lan truyền của ánh sáng.

Các tinh thể quang tử một chiều đã đang được dùng rộng rãi trong quang học màng mỏng; như tạo ra các lớp phủ lên bề mặt thấu kính hay gương để tạo ra độ phản chiếu thấp hay cao tuỳ ý; hay trong sơn đổi màu và in ấn bảo mật.

Các tinh thể quang tử hai chiều và ba chiều được dùng trong nghiên cứu khoa học. Ứng dụng thương mại đầu tiên của tinh thể quang tử hai chiều là sợi tinh thể quang tử, thay thế cho sợi quang học truyền thống trong các thiết bị quang học phi tuyến và dùng với các bước sóng đặc biệt (ở đó không có vật liệu truyền thống nào trong suốt ngoài không khí hay các chất khí).

Khả năng sản xuất và ngăn ngừa lỗi trong các tinh thể quang tử ba chiều vẫn đang được nghiên cứu.

Áo tàng hình làm bằng siêu vật liệu có khả năng bẻ cong ánh sáng

Trong vài năm trở lại đây, khoa học đã chứng kiến sự ra đời của nhiều siêu vật liệu với cấu trúc có khả năng chuyển hướng các bước sóng đặc biệt của ánh sáng nhằm mục đích tàng hình. Tuy nhiên, một vấn đề nan giải vẫn chưa có câu trả lời là làm thế nào để che giấu hoàn toàn vật thể ở mọi góc độ khác nhau trong không gian ba chiều, đặc biệt là các góc nhọn.

Bẻ cong đường đi của ánh sáng sẽ giúp tàng hình vật thể?

Mặc dù các nhà khoa học đã phát triển thành công một vài vật liệu có thể phân tán sóng bề mặt xung quanh các góc nhằm đánh lừa thị giác, nhưng chính họ cũng thừa nhận rằng đây chưa phải là những phương pháp tối ưu. Họ tiến hành các cuộc thí nghiệm dựa vào các tinh thể quang tử có phản ứng từ lớn. Khi sóng ánh sáng gặp phải góc nhọn, lực đà do các photon ánh sáng tạo ra sẽ có sự thay đổi, dẫn đến việc thị giác bị đánh lừa.

Một phương pháp tàng hình khác lại tập trung vào việc bổ khuyết cho sự thay đổi lực đà bằng cách uốn cong không gian điện từ nhằm “lừa” cho sóng ánh sáng hoạt động theo hướng cong như thể nó đang di chuyển theo hướng thẳng.

Nói cách khác, con người hiện nay có thể làm biến dạng không gian bằng vật liệu. Nếu bọc siêu vật liệu quang tử bên ngoài một vật thể bất kỳ, ánh sáng sẽ lệch hướng và thay đổi tốc độ truyền khi tiếp xúc với vật liệu khiến mắt người không thể nhìn thấy vật thể trong điều kiện bình thường.

Vật thể sẽ trở nên tàng hình nếu bọc siêu vật liệu quang tử có khả năng tán xạ bên ngoài.

Trước đây, nhiều đơn vị khoa học đã công bố phát triển thành công loại siêu vật liệu có thể bẻ cong ánh sáng xung quanh một đối tượng và giấu nó bằng cách sử dụng siêu vật liệu sử dụng sóng điện. Tuy nhiên, nhiều người cho rằng công nghệ này chỉ hiệu quả khi tiến hành trong phòng thí nghiệm với các bước sóng hoặc góc độ nhất định. Ngoài ra, họ còn cho thấy hạn chế không nhỏ của phát minh sơ khai này khi vật thể không hoàn toàn biến mất mặc dù siêu vật liệu đó có thể bẻ cong ánh sáng.

Để khắc phục tình trạng trên do sử dụng sóng điện, trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã chứng minh sự hiệu quả của siêu vật liệu bằng cách uốn sóng ánh sáng bề mặt xung quanh các góc nhọn. Phương pháp mới này có khả năng hoạt động tốt với phạm vi bước sóng lớn, thực hiện quá trình truyền dẫn gần như lý tưởng.

Phương pháp này còn có thể uốn cong bước sóng mà không làm ảnh hưởng đến các tính chất khác của sóng, chẳng hạn như biên độ và pha. Cùng với sự phát triển của quang học biến đổi, thành công này thực sự tạo nên bước đệm quan trọng cho sự ra đời của một chiếc áo tàng hình trong tương lai không xa.

Chia sẻ