Công nghệ tàng hình: Từ giấc mơ đến hiện thực – Phần 2 pptx

Công nghệ tàng hình: Từ giấc mơ đến hiện thực – Phần 2 Chuyện kể về người tàng hình và những vật hỗ trợ tàng hình đã ăn sâu vào tâm khảm con người hàng thiên niên kỉ qua. Sidney Perkowitz cho biết những câu chuyện thần thoại và tưởng tượng này nay đang trở thành hiện thực. Từ phản xạ lùi Một cách tiếp cận nữa từ nhữngcâu chuyện kể buổi đầu đó – sự trong suốt hoàn toàn –dườngnhư không thể nào đạttới đốivới con người hay sự vật.Nhưng vào năm 20043, một đội nghiên cứu đứngđầu làSusumiTachi,người khiđó làm việc tại trường Đại học Tokyo,đã tạo ramộtloại trong suốt ảo gọilà công nghệ chiếuphản xạ lùi, hay sự ngụytrang quanghọc. Nó xuất hiện trongphảnứng trước một vấn đề tìm thấy trong những ứng dụngthực tạiảo kếthợp môi trường thựctế với nhữngmôi trườngảohaymôi trường domáy tính tạo ra. Trongnhững trường hợp như thế, ảnhảo được chiếutừ điểm nhìn củangười quansát lên trên một khung cảnh thật. Khó khăn xuất hiện nếu như ảnh chiếu, thí dụ ảnh những ngọn núi đằng xa, chạm tới một vật thật, thí dụ một bức tường. Dãy núi sẽ dườngnhư hiện ralờ mờ phía sau bứctường,nhưngảnh chiếuthì lại rơi lênphía trướcbức tường, vì thế làm phá vỡ một trong nhiều chiều sâu làm chokhungcảnhtrôngnhư thật. Khi xét vấnđề xử lí chiều sâu này, nhóm của Tachi đã đi tới một phương pháp làm chomột vật rắn, có thậtdườngnhư trong suốtđến mức cái nằm phía sau nó có thể hiện rõ như nhìn xuyên quavật vậy. Bướcthứ nhấtlà làmcho vật thật phản xạ ánh sáng tới trở lại nguồn, hay“phản xạ lùi”. Đây là cái làm cho mắt mèo lóe lênkì quái trướcđèn pha xe hơi, và nó có thể thu đượcbằng cách dùng nước sơn hay chất liệu chứa nhữnghạtthủy tinhnhỏ. Sauđó, một cameraghi lại cái nằm phía sauvật và ảnh được chiếu qua một cái gương truyền đặcbiệt lên trên vật. Ngườixem nhìn quacái gương, nếu đặtthích hợp, nhìn thấy vật thật cùngvới ảnh của cáinằm phía sauchồng lên trên vật. Kết quả là một ảogiác kìlạ của sự trong suốt, như thể hiện trong các videocủa nhóm Tachi cungcấp. Quangcảnh đườngphố nhộn nhịp dường như có thể nhìn thấy qua nhữngvật mẫu mặc áo vét hoặc áo khoác phản xạ lùi. Tin tức lan truyền khiấydồn dập xem Tachi làngười phát minh rasự tànghình đích thực, nhưng ảo giác đó chưa hoàn hảo,vì ảnh nền hơi bị mờ đi và đường nét của quần áo mặc có thể nhìn thấy. Nghiêm trọnghơn,thiết bị quanghọc phải bố trítinhvi và người quansát cố địnhtại một chỗ thích hợp, nhìn quagương, nếu khôngthì ảo giác không còn. Tuy nhiên, mộtbảnbáocáo năm 2007 củaquânđội Canadalưu ý rằng sự ngụy trang quang học cóthể che giấu, nói thídụ, nguyên một chiếc xe tăng, bằngcáchlàm chonó trongsuốt thực sự, mặc dù điều đó chỉ hoạt độngđốivới một chiếc xetăngđược bố trí khi nhìn từ một vị trí đặc biệt. Nhóm của Tachi, hiệnnay tại trườngĐại họcKeio, còn phát triển “buồnglái trong suốt” cho phép ngườitài xế nhìntrọn vẹn khungcảnh xungquanh xe. Các cameragắn ngoài trên xe gửi ảnhđến một máy vi tính. Ngườilái xebậtmáy chiếu gửi đi những hìnhảnh, đã biếnđổi như thể nhìn từ vị trí của người lái xe,lên trên lớp trángphản xạ lùi ở mặt trong của xe.Một trìnhdiễn thu hút sự chú ýdo nhóm Tachi thực hiện cho thấy dòng xesan sátnhauhiện rõqua cửa vàbảng đồnghồ của xehơi. Chưahết, những nhà phát minh còn tưởngtượng người lái trực thăng nhìn quamộtbuồnglái trongsuốt như thể đangbay trong một lớp khôngkhí mỏng– mộtmáy bay tànghình thật sự giống như chiếccủa siêu anhhùng truyện tranh WonderWomansử dụng. Đến sự tàng hình Tuy nhiên, dạng gây ấn tượng nhất củasự tàng hình đích thực thì tinhvi hơn nhiều:ánh sángbị uốn cong vòng quanhmộtvậtthay vì tương tácvới nó, cạnh tranh vớidụng cụ tàng hình Star Trek. Giốngnhư nước trong mộtdòngchảy tách ra xungquanhmột tảngđá rồi nhập trở lại thành một dòng êmđềmđi tiếp, cáctia sáng lệch ra xungquanh một vật, sau đó kết hợp lạivà tiếp tục truyền đinhư thể chưa cógì xảy ra cả. Quan điểmnày có từ một ý tưởng cũ.Năm 1964, Victor Veselago thuộc Viện Vật lí Lebedev ở Moscowđã nêu lí thuyết về sóng điện từ trong mộtmôi trường với một tính chất chưatừng nghenói tới: chiết suất âm.Chiết suất, n, làtỉ số của tốc độ ánhsáng trongchân không, c, vàtốc độ của nó trong môi trường đó. Tốc độ này luônluôn nhỏ hơn c, nên n luôn lớn hơn 1 trongmọi môi trườngđã biết. Nhưng Veselagonhận thấy n sẽ âm nếu như hằng số điện môi của một môi trường, ε, và độ từ thẩm, µ,những hằngsố xác định các phản ứng điệnvà từ củanó, đềucó giá trị âm. Một môi trường như vậy, ông dự đoán, sẽ làm khúcxạ ánh sángtheo hướng ngược-với-bình-thường,chonên một thấu kính lõmsẽ làm hội tụ các tia sáng và một thấukính lồi sẽ làm phân kì các tia sáng; môi trường đó sẽ bị hút về phía nguồnsáng,thay vì bị đẩy ra xabởi áp suấtbứcxạ;và nómang lại một hiệu ứng Dopplernghịch, với ánh sáng bị lệchxanh thay vì lệch đỏ khi nguồnchuyển động ra xa ngườiquansát. Lí thuyết trênvẫn không được kiểmtra cho đếnnăm 2000, khicácnhà nghiêncứutại trường Đại họcCalifornia, San Diego, xây dựng một siêu chất liệu đáp ứngcác điềukiện củaVeselago.Nó cấu tạo từ hàng trăm đơnvị cỡ mili mét sắp xếptheokiểu tuần hoàn, giốngnhư cácnguyêntử trong tinh thể. Có hailoại đơn vị:những dảiđồng, trong đó mộtbổ thể lớn của electrontác dụngđể mang lại ε < 0; và nhữngbộ cộng hưởng bằngđồng vòngtách chữ C, trong đó những dòngđiện cảm ứng doánh sáng tới gây ratạo ra nhữnghiệu ứng từ cho µ < 0. Ở bướcsóng visóng 3 cm, siêu chất liệu trên thuđược n = - 2,7 và biểu hiện sự khúc xạ nghịch. Cấu trúcnày cho thấy làm thế nào tạo ra nhữnggiátrị n khôngtìm thấy trong tự nhiên và,hóa ra, làm thế nào để làm cho mọi vật vô hình. Vào năm 2006,lí thuyết tàng hìnhđã đượccôngbố đồng thời bởi Ulf Leonhardt ở trườngĐại học St Andrews vàJohn Pendrytại trườngCao đẳngHoàng gia London cùngvới David Smith và DavidSchurigthuộc trường Đại học Dukeở Mĩ. Nhóm vừa kể sau đã tính ra đặctrưng khúc xạ củamộtvỏ cầu rỗngsẽ chặn đứngnhững tia sáng tới, uốn cong chúng vào lớp vỏ và truyền qua,sau đó làm khúc xạ chúngtrở lại theo đường đi ban đầu liên tục củachúng. Chiết suất cần thiết biến thiên bên tronglớp vỏ, ở một số chỗ nó nhậngiá trị kì lạ là nhỏ hơn 1, thậmchí có chỗ còn nhỏ hơn không. Cũng trong nămđó,nhómcủa Smithtại trường Duke,trong đó có Schurig, cùng với Pendry và những người khác, đã sử dụng líthuyết này xây dựng nên áo tàng hình siêu chất liệu đầu tiên. 10cái vòng đồngtâm của nó, đườngkínhtừ 5,4 đến 11,8cm,chứahàng nghìnbộ cộng hưởng vòngtách bằng đồngvới chiều kích biến thiên trêncác vòng để manglại hànhtrạng không gianthích hợp cho n. Một hình trụ bằng đồng,rộng 5 cm,khôngtàng hình,làm tán xạ mạnh visóng 3,5 cmvà tạo ra một cái bóng; nhưngkhi vậtđược đặtbên trongkhe hở ở giữa của áo tàng hình, thì sự tán xạ và bắtbóng của nógiảmxuốnghầunhư khôngcòn gì. Ảnhcủa vi sóng chothấychúng đi vào áo tàng hình,tách ra để đi quakhehở chínhgiữa của nó,và kết hợptrở lại để lóraở phía bênkiavớihìnhdạng giốngnhư lúcnàođi vào, y hệt như đã tínhtoán. Sự tàng hìnhbắt đầunhư thế nào. Áo tànghìnhsiêuchấtliệu đầutiên, chế tạo vàonăm 2008bởi một độinghiên cứu, đứng đầu là DavidSmiththuộc trường Đại họcDuke. Không có gìbất ngờ khi thành côngnày thuhútđược sự chú ý củađông đảo công chúng, được hỗ trợ thêmbởi những dòngtít báo chí phôtrương như “Áo tàng hình kiểu Harry Potter ‘trong 5 nămnữa’”. Niềmhứng khởi khoahọccũng dâng cao, vàđến nay cácnhà nghiêncứu đã trích dẫncông trình này chừng800lần. Hoạt độngsôi nổi như vậy đã làm nổi lên viễn cảnh chúngta vượtqua đượcnhững rào cảnđángkể để đạt tới sự tànghìnhđối với bước sóng khả kiến 400 –750nm. Một thách thức là cáckim loạinhư đồng chẳnghạnbị hấp thụ cao ở đó, nên bản thân áotànghìnhsẽ tạo ra một cáibóng.Một thách thứcnữa là cácnguyên tố siêu chất liệu cần phải nhỏ hơn bước sóng đó, nghĩalà đối với ánhsáng khả kiến thì đó là những cấu trúc nanothay cho những nguyên tố cỡ milimét trong các thí nghiệm vi sóng.Mộttháchthứcthứ ba là các bộ cộnghưởng vòng phân tách chỉ cho m< 0 ở những bướcsóngnhấtđịnh.Đâylà mộtnguyên donữa lí giải tại sao khó làmcho các vật trở nên vô hình trong vùng phổ điện từ,trongđó có phần nhìnthấy củanó. Triểnkhai thực tế. Ảnhchụp quakính hiển viđiện tử quét của tấm thảm tàng hình chế tạovào năm2011của nhóm JingjingZhangthuộc DTOFotonik, Đan Mạch. Tuy nhiên, mộtđộtphátrongsự tàng hìnhquang học là “thảmtàng hình” do John Pendryvà JensenLi phát minhrahồi năm 2008 –một siêu chất liệu chỉ cần giá trị n biến thiên theokhông gian,không cần cácvòng cộng hưởng, để làm cho một chỗ u trên bề mặt trôngnhư phẳng, dođó làm che khuất mộtvật bên dưới. Hồi năm 2009,tấm thảmtàng hình đó được chứng minh với vi sóngvà với ánh sáng hồng ngoại gần,chừng 1500 nm, nhưngchỉ hoạt động với những vật vi mô. Vào cuối năm 2010, hainhóm nghiêncứu khác nhauđã trình bày một cách tiếp cận khác.Gần như đồng thời với nhau,họ tườngthuật việc đạttới sự tàng hình đốivới những vật kích cỡ từ mili mét đến centimét trên ngưỡng nhìn thấy từ màu đỏ đến màu lam.Điều đáng chú ý lànhững kết quả này không đòi hỏi những siêu chất liệu phức tạp, mà sử dụng những tínhchấtquanghọc dị hướng củatinh thể calcite có mặttrongtự nhiên để tạo ra một dạngthảm tàng hình. và hơn thế nữa! Nềnkhoa học tànghìnhđích thựcchỉ mới 5 năm tuổi. Nhưng naythì các nhà khoa họcbiếtrằng sự tàng hìnhlàcó thể, họ đang hướng đến nhữngthiếtbị đỉnh cao vànhữngứngdụng quân sự để tìm kiếm nguồn tài trợ cho nghiên cứu.Ngoài sự tàng hình,và bất chấp những phươngpháp đơngiản hơn như sử dụng calcite được phát triểnthêm, các siêu chấtliệu vẫn đangmanglại những tiếnbộ mà trí tưởng tượnghay truyệnkhoa học viễn tưởng không nhìnthấy trước, thídụ như những “siêu thấu kính” với độ phângiải tốt hơn nhiều so vớinhữngthấu kính thông thường.Những thấu kính cải tiến này, lầnđầu tiên, cóthể nhìnthấy virusvà protein một cách trựctiếp với kínhhiểnvi ánh sáng nhìnthấy. Chúngcòn đưađến những chiếc máy vi tính hiệuquả hơn, vì số dụng cụ có thể gói ghém trên mộtcon chip máy tính bị giới hạn bởi độ phân giải củahệ thống quanglắp đặt nó. Những khả năng khác bao gồmviệc sử dụng siêu thấu kínhâmhọcđể cải thiện chất lượng quét siêu âmy khoa,vàsử dụng cácnguyên lí kiểu siêu chất liệu để xây dựng những công trình“vô hình”trướcnhững con sóng địa chấnhay sóng thầnhủydiệt. Còn cómộtlộ trình khácsong song với sự tàng hình conngười –một lớp vỏ bọc vượt xa hơncông nghệ chiếu phảnxạ lùi củaTachi.Chiếcáo tàng hìnhđích thực này sẽ thu ảnh trực tiếp từ những bộ cảm biến phíasau của nó vàchiếu ảnh thu từ dụng cụ ra phía trước của nó. Chiếc áo tàng hình sẽ trông như trong suốt ngay cả khinó hoặcngười quansát đang chuyểnđộng.Vào năm 2002, Franco Zambonelli vàMarco Mamei tạitrường Đại học Modena,và Reggio Emiliaở Italy, đã đề xuất một chiếc áo tàng hìnhchứa đầy nhữngbộ dò và phátánh sáng bề ngang 5µm, nối mạng không dây ở tốc độ terabyte,có thể duy trì độnglực học một ảo giác thuyếtphục rằng nó khôngcó mặt ở đó. Họ đề xuất rằng sự chuyển động của chiếc áocó thể cấp điện cho mạng lướithông qua những dụng cụ áp điện biến đổi sức căngcơ học thànhđiện áp, mặc dù điện năng còn có thể xuất xứ từ nhiệt cơ thể của ngườimặc. Mộtchiếc áo như vậy với diện tích 3 m 2 sẽ tốn chưa tới 500.000bảng Anh, họ đề xuất, và trongkhiđó chúng ta chưa có những dụngcụ có kíchcỡ và khả năng cầnthiết,chonên hi vọng nằm ở những bộ dò và phát xạ ánh sáng nhỏ chế tạo từ những đơn vị bán dẫn cỡ nanomét gọi làchấm lượngtử. Những chấm này có thể hình thành trong nhữngma trận lớn, và một phươngpháp thích hợp để tạo ra áo tàng hình đã được thử nghiệmthànhcông:đặtcác chấm vào trong dung dịchvà rải chúng lêntrên vải quamột máy inmực phun. ThầnAthena, NgườiVô hình,cùng nhữngnhân vật thần thoại vàtưởng tượng khác không thể nào tưởng tượngra một cơ cấu dây chuyền máyin phun gieo rải công nghệ tàng hìnhlêntrênvảivóc; tuy nhiên,nhữngai từng quenthuộc với nhữngbộ đồ ngụy trang“tắc kè”của truyện khoahọcquânsự viễn tưởng – thí dụ như bộ quân phục thế kỉ 25 của Lữ đoànVũ trụ trong bộ phim Quả đấm Saocủa David ShermanvàDan Cragg– sẽ không có gì bất ngờ. Và, dường như là cáikhông thể tránh được, nếu như giá thành của một cái áo tànghìnhsản xuất hàng loạt cuối cùng giảm từ 500.000bảng xuống, nói thídụ, còn 19,95bảng, thì rốt cuộc chúng ta sẽ phải đối mặttrước câu hỏi màGlauconđã nêu ra cách nay lâulắm rồi:nếu những hànhđộngđáng ngờ trở nên khó bị pháthiện, thì đạođức có cònhay chăng? . Công nghệ tàng hình: Từ giấc mơ đến hiện thực – Phần 2 Chuyện kể về người tàng hình và những vật hỗ trợ tàng hình đã ăn sâu vào tâm khảm con người hàng. sự tàng hình conngười –một lớp vỏ bọc vượt xa hơncông nghệ chiếu phảnxạ lùi củaTachi.Chiếcáo tàng hìnhđích thực này sẽ thu ảnh trực tiếp từ những bộ cảm biến phíasau của nó vàchiếu ảnh thu từ. thành hiện thực. Từ phản xạ lùi Một cách tiếp cận nữa từ nhữngcâu chuyện kể buổi đầu đó – sự trong suốt hoàn toàn –dườngnhư không thể nào đạttới đốivới con người hay sự vật.Nhưng vào năm 20 043,