Veselago, chiết suất âm, vật liệu nhân tạo và giải Nobel năm nay ?

Posted: July 27, 2011 in Tin Khoa Học- Công Nghệ, Điện Từ

Veselago tên đầy đủ là Veselago Victor Georgievich, giáo sư vật lý tại Viện vật lý và kỹ thuật Matxcơva ( MIPT). Ông tốt nghiệp tiến sĩ PhD năm 1959, và Tiến sĩ khoa học năm 1974,  đều từ Viện vật lý Lebedev, cho đề tài nghiên cứu các trạng thái rắn trong môi trường từ trường. Ông là chuyên gia trong lĩnh vực vật lý, thông tin, và là giám đốc của nhánh vật liệu từ, thuộc viện hàn lâm khoa học Nga. ( GPI RAS).

Bài báo đầu tiên của ông trên một tạp chí khoa học Nga, Veselago,V.G, Sov.Phys.Usp (1968), 10, 509, cùng với việc kiểm chứng bằng thực nghiệm năm 2000, Smith, D.R, et al, Phy.Rev.Lett (2000) 84, 4184, đã đưa tên tuổi của ông đến với toàn thể giới, đặc biệt trong cộng đồng nghiên cứu vật liệu từ và vật liệu nhân tạo.

Ứng cử viên giải Nobel Vật Lý năm 2011

Câu chuyện bắt đầu từ việc đặt ra câu hỏi, tường chừng đơn giản nhưng lại hết sức thú vị về dấu của hai thành phần độ điện thẩm tương đối và độ từ thầm tương đối hay hằng  số điện môi và hằng số từ môi của vật liệu. Trong chương trình lớp 12, chiết suất có giá trị bằng căn bậc hai của tích hai hằng số này. Câu hỏi của Veselago khi đó là ” điều gì xảy ra khi chúng ta đổi dấu hai hằng số kia ? giá trị của chiết suất vẫn không đổi, vậy cái gì sẽ thay đổi và khác biệt so với vật liệu ban đầu ?

Câu trả lời, theo cách định tính đó là ” sẽ không có gì thay đổi, điều đó tương đương với việc điện động lực học sẽ không có gì khác biệt khi ta đổi dấu hai hằng số điện môi và từ môi”. Ông cũng nhận thấy rằng, các vật liệu tự nhiên hiện có đều loại trừ khả năng hai hằng số này có giá trị âm. Nhưng ông không thỏa mãn với câu trả lời ngắn ngọn đó, và sử dụng hơn 15 năm, sau khi tốt nghiệp tiến sĩ để tìm một đáp án thỏa mãn hơn cho câu hỏi ban đầu.

Ông bắt đầu từ 4 công thức tổng quát  của phương trình Maxwell, đó là những công thức căn bản nhất, liên hệ và thống nhất điện và từ vào một thực thể chung, điện từ trường.  Khi epsilon ( điện môi ) > 0 và mu ( từ môi)>0, vectơ sóng k , E và H được biểu thị dưới dạng right-handed ( qui tắc cánh phải). Khi epsilon < 0 và mu < 0, vectơ sóng k , E và H được biểu thị dưới dạng left-handed ( qui tắc cánh trái). Nhưng giá trị của vectơ mật độ, Poynting vectơ S, vectơ E ( điện trường ) và vectơ H ( từ trường) thì luôn luôn theo quy tắc cánh phải, và hoàn toàn không phụ thuộc vào dấu của 2 hằng số điện môi và từ môi.

Định luật Snell khi áp dụng cho trường hợp đổi dấu vẫn đúng, chỉ có điều được mở rộng thêm, đó là khi chiết suất âm, tia khúc xạ và tia tới sẽ cùng nằm một phía pháp tuyến, trái ngược với trường hợp cổ điển, khi chiết suất dương, tia tới và tia khúc xạ nằm ở 2 phía pháp tuyến khác nhau.

Veselago tiếp tục mạch suy luận của mình, với trường hợp Hiệu ứng chuyển vạch Doppler shift, khi đó dấu của chuyển vạch Doppler phụ thuộc vào dấu của chiết suất.  Tương tự với trường hợp Hiệu ứng bức xạ Cherenkov, thường thấy trong các lò phản ứng hạt nhân, khi các hạt điện tích di chuyển trong môi trường điện môi có vận tốc lớn hơn vận tốc pha của ánh sáng trong môi trường đó. Ông còn mô tả điều gì xảy ra khi sử dụng thấu kính giả- phẳng với chiết suất âm, và dự đoán về một lớp thiết bị sử dụng loại vật liệu nhân tạo này. Theo ông, thấu kính với kết cấu chiết suất âm cho phép chuyển đổi thực thể 3D thành hình ảnh không gian 3 chiều 3D mà không bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng quang sai, biến cong distortions.

Sau 15 năm nghiên cứu về hướng vật liệu sử dụng chiết suất âm, Veselago tóm lược kết quả đó vào năm 1967 và xuất bản công trình nghiên cứu của mình trên tạp chí của Nga, Veselago,V.G, Sov.Phys.Usp (1968), 10, 509. Câu hỏi trọng tâm của bài báo đó là ” Môi trường điện môi nào cho phép vật liệu quy tắc cánh trái tồn tại, và các đặc tính của chúng ra sao“. Ông cũng chỉ dẫn cách làm sao để có thể chế tạo ra lớp vật liệu quy tắc cánh trái này. Một hướng gợi ý, đó là sử dụng các bán dẫn từ, như CDCr_2Se_4. Vấn đề kho khăn khi đó ( những năm 1950-60) chính là kỹ thuật. Hướng thứ 2, đó là sử dụng hỗn hợp các điện tích và từ tích. Hướng này cho phép vật liệu có độ đẳng hướng cao, tuy nhiên khó khăn đó là, chưa phát hiện ra từ tích ( monopole), đến hiện tại, chúng ta vẫn bỏ ngỏ khả năng tồn tại từ tích này.

Phải chờ đến 30 năm sau, khi giáo sư Pendry, đến từ trường đại học IC London, Pendry, J.B. et al, IEEE Trans.Microw.Theory Tech (1999) 47, 2075,  gợi ý về việc chế tạo vật liệu 2 chiều là các vòng phân cảm ( split ring resonator-SRR), cho phép tạo ra từ thẩm mu(omega) < 0 trong khi các dây dẫn kim loại vẫn sử dụng epsilon(omega) < 1. Chưa đầy 1 năm sau, các nhà khoa học đến từ trường đại học California, UCSD, dưới sự hướng dẫn của giáo sư Sheldon Schultz , Smith, D.R., Schurig D., Rosenbluth M., Schultz S đã  kết hợp ý tưởng từ thẩm âm của Pendry với vật liệu có điện thẩm âm ( được nghiên cứu và phát hiện từ nhiều năm trước đó), để hoàn thành loại vật liệu nhân tạo, có chiết suất âm, Smith, D.R, et al, Phy.Rev.Lett (2000) 84, 4184, từ đó mở ra một chân trời vật lý mới, nơi sử dụng các vật liệu nhân tạo có đặc tính dị thường. Một trong những kết quả nổi bật của loại vật liệu này, đó là nó cho phép chế tạo các thiết bị vượt qua giới hạn nhiễu xạ , dự đoán cũng bởi giáo sư Pendry, và được kiểm chứng năm 2004 bởi Grbic,A and Eleftheriades, G.V, Phy. Rev. Lett (2004) 92, 117403.

Hiện tại, nhiều nhóm nghiên cứu đến từ các viện và trường đại học hàng đầu thế giới đang tham gia và lĩnh ực vật liều nhân tạo, chiết suất âm ( metamaterials ), như UCSD, MIT, ICLondon, Duke, ETH Zurich… và số lượng bài báo cũng như trích dẫn vẫn đang tăng một cách ngạc nhiên. Thống kê chưa đầy đủ của Microsoft Academic có thể miêu tả phần nào sức hút của lĩnh  nghiên cứu mới mẻ này. Sheldon Schultz, D. R. Smith, John B. Pendry.

Hiện tại, sự ra đời vật liệu nhân tạo chiết suất âm, metamaterials còn được sử dụng để nghiên cứu các lý thuyết vượt xa lĩnh vực vật liệu, vật lý chất rắn. Đơn cử như những hướng nghiên cứu và phát triển của nhóm tác giả Smolyaninov and Yu-Ju Hung, đến từ trường đại học Maryland, US. Trong bài báo mới nhất của nhóm với tiêu đề ” Hyperbolic metamaterial interfaces : Hawking radion from Rindler horizons and the ” end of time” “, bằng cách nghiên cứu các tính chất điện từ học trong môi trường không thời gian ba chiều ( 2 + 1 ) Minkowski, nhóm đã đưa ra những giả định hết sức thú vị khi không thời gian hiệu ứng tiếp xúc vuông góc với chiều space-like  và time-like ,trong vật liệu matematerial, có thể dẫn đến một trong hai kết cục, một mặt là chân trời sự kiện, hiệu ứng bức xạ Hawking, một kết cục khác là ” điểm cuối thời gian”, được mô tả trong một lọat các bài báo trên Nature Physics, Science, PRL của nhóm tác giả này.

Chỉ còn 2 tháng nữa, kết quả Nobel vật lý 2011 sẽ được công bố, hiện tại có thể là danh sách ứng cử viên đã được chốt hạ, và chủ nhân của giải Nobel Vật lý 2011 có thể đã được báo trước, giống như giải Fields, thường biết trước 2-3 tháng. Cộng đồng nghiên cứu vật liệu mới, tính chất và hiệu ứng lạ như metamaterials rất hy vọng những nhà tiên phong trong lĩnh vực của mình sẽ có tên trong danh sách đề cử, lớn hơn nữa là đọat giải năm nay. Chúng ta sẽ chờ xem, Veselago, Pendry, Smith hoặc thầy của ông, giáo sư Sheldon Schultz sẽ được xướng danh : Nobel Vật Lý 2011 !

Advertisements
Comments
  1. AC-WF-IM-0 says:

    Chúc mừng tất cả các ứng cử viên ! 🙂

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s