Ý nghĩa vật lý của hiện tượng tàng hình

Ý nghĩa vật lý của hiện tượng tàng hình 
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  ... i các hội thảo khoa học giữa phe "khẳng định" và phe "phủ định". Liệu các dữ liệu thực nghiệm của siêu vật liệu có phải là một dạo khúc cho việc sửa đổi lại những lý thuyết kinh điển và cải biên tất cả thư tịch liên quan đến quang học và điện từ học, hay chúng chỉ là hội chứng "công bố hay là chết tiệt" (publish or perish) với mục đích kiếm tiền kinh phí nghiên cứu của các khoa học gia?
Giáo sư Ben Munk (Ohio State University, Mỹ), một lão làng trong nghiên cứu điện từ và chuyên gia tàng hình học, là một người triệt để phản đối vật liệu có chiết suất âm. Ông không tin sự hiện hữu của một vật liệu có độ từ thẩm và độ điện thẩm đồng thời cùng âm. Những phản biện của ông được viết thành một quyển sách có nhan đề "Metamaterials: Critique and Alternatives" (Siêu vật liệu: Phê phán và Cách nhìn khác) [33]. Munk truy nguyên bài báo cáo của Veselago [17] và cho rằng lý thuyết Veselago đúng trên phương diện toán học nhưng khiếm khuyết (deficiency) trên phương diện vật lý vì lý luận Veselago hàm chứa biến số thời gian có trị số âm. Nếu có chiết suất âm thì thời gian cũng sẽ âm. Ông hóm hỉnh bảo rằng ông đã về hưu cho nên nếu thời gian có âm thì ông muốn xin một khoảnh thời gian đó để được cái diễm phúc "cải lão hoàn đồng" ngược dòng thời gian tìm lại một chút xuân xanh! Theo ông, giấc mơ của Veselago cũng chỉ là giấc mơ, thế gian này sẽ không có siêu thấu kính chiết suất âm.
Đương nhiên, ông cũng công kích lý luận và đề nghị của Pendry, một hệ luận của Veselago, về cách thiết kế vật liệu chiết suất âm mà nhóm San Diego đã thực hiện [22]. Cái mà nhóm San Diego gọi là sóng khúc xạ và từ đó tính ra trị số chiết suất -2,7 cho cấu trúc mang các vòng hở cộng hưởng và đường thẳng (Hình11) chẳng qua là một sự nhầm lẫn. Theo Munk, sóng đó không phải là sóng khúc xạ mà chỉ là bức xạ của sóng bề mặt (surface wave), một đặc trưng của mọi cấu trúc có một trình tự sắp xếp nhất định bao gồm cả cấu trúc của nhóm San Diego.
Cho đến nay (2010) người viết không tìm thấy phản biện nào từ phe "khẳng định", nhất là từ những chuyên gia đầu ngành như Pendry hay Smith, về phê bình của Munk và trong khi đó những dữ liệu thực nghiệm về siêu thấu kính và hiệu ứng tàng hình của siêu vật liệu vẫn ào ạt như dòng thác liên tục xuất hiện trên các tạp chí khoa học. Tiếng nói của Munk có phần đơn độc nhưng ông chỉ muốn duy trì chất lượng cho nền khoa học chính thống (good science), phá tan tâm lý bầy đàn cùng hùa nhau chạy về một hướng và gióng lên tiếng chuông cảnh báo đến các cơ quan cung cấp kinh phí nghiên cứu về cái "chân" và "giả" của một hiện tượng khoa học. Dù đúng hay sai, Munk quả là một "mãnh hổ", hay đúng hơn là một "lão hổ" mang một tâm hồn chính trực, không ngớt tiếng gầm giữa dòng thác lũ.
11. Tàng hình: nhân tố "bách chiến bách thắng"?
Năm 1999 trên chiến trường Kosovo (Yugoslavia cũ), "Chim ưng đêm" F-117 bị tên lửa SAM của tuyến phòng không quân đội Yugoslavia bắn hạ. Bộ tư lệnh không lực Mỹ chẳng màng đến việc giải thích chi tiết vụ việc, dù sao đây chỉ là chiếc máy bay của nền công nghệ "cũ kỹ" trong thập niên 1970, cần chi phải nói nhiều! Nhưng sự kiện này đã chỉ ra cái gót chân A-sin (Achilles' heel) của máy bay tàng hình mà chính phủ Mỹ đã đầu tư hàng trăm tỉ đô la. F-117 hay chiếc B-2 hiện đại hơn và toàn thể các chiến hạm tàng hình của các cường quốc như Mỹ, Nga, Anh, Pháp, Thụy Điển không phải hoàn toàn vô hình trước radar. Ở đây, chúng ta cần trở lại nền tảng của các quy luật vật lý xoay quanh phương trình sóng Maxwell. Trong toàn thể bài viết này, chúng ta chỉ thảo luận sóng radar ở vùng vi ba có tần số ở cấp gigahertz (GHz) tương ứng với bước sóng trong phạm vi milimét và centimét. Hình dáng bề mặt phân tán sóng radar và vật liệu hấp thụ radar đều được thiết kế và chế tạo để đối ứng với sóng vi ba. Nhờ đó F-117, B-2 có thể bay lả lướt, các chiến hạm tàng hình có thể nhởn nhơ lướt sóng trong vùng vi ba như ra vào chỗ không người mà không hề sợ bị phát hiện.
Nhưng, khi hệ thống radar phát sóng ở băng tần megahertz (MHz) với bước sóng tương ứng ở đơn vị mét, tình hình hoàn toàn đổi khác. Trong các công thức toán học diễn tả độ phản xạ cuả sóng, tần số (hay bước sóng) lúc nào cũng là một biến số quyết định (Phụ lục a). Quy luật vật lý lúc nào cũng muốn vây chặt những ước muốn của con người; những gì tàng hình ở vi ba tiếc thay sẽ hiện hình trong sóng megahertz. Nói một cách định lượng, tiết diện radar trong vùng vi ba sẽ gia tăng 10 – 100 lần trong sóng megahertz [34]. Loại sóng này không phải là những làn sóng xa lạ đối với những sinh hoạt hằng ngày. Đó là những làn sóng radio, tivi mang đến sự thoải mái đến cho chúng ta qua chiếc màn hình nhỏ trong gia đình hay bằng điệu nhạc êm dịu từ bên kia bờ đại dương. Khi sóng radio được sử dụng trong radar, ta có thể giám sát (surveillance) sự di động của một vật thể cách xa hàng ngàn dặm. Tuy nhiên khác với vi ba, sóng radio không có khả năng định vị (locating) chính xác khoảng cách giữa người quan sát và mục tiêu. Và đây là nguyên nhân chính tại sao vi ba là loại sóng thông dụng trong các ứng dụng dân sự lẫn quốc phòng cho việc giám sát và định vị cùng lúc.
Mặt khác, nếu ta nhìn lại công thức độ phản xạ của vật liệu hấp thụ radar, ngoài độ điện thẩm và độ từ thẩm, bề dày của lớp phủ cũng là biến số quyết định độ phản xạ (Phụ lục a). Độ phản xạ sẽ thấp nhất khi bề dày của lớp phủ bằng 1/4 bước sóng [7]. Trong vùng vi ba, ta chỉ cần lớp phủ vài milimét. Trong vùng megahertz, bước sóng dài vài mươi đến vài trăm mét và việc tạo một lớp phủ có bề dày 1/4 bước sóng vài mươi mét là một việc không tưởng điên rồ!
Như vậy, trong ý nghĩa tuyệt đối tàng hình chưa hẳn là một nhân tố "bách chiến bách thắng" vì nó tùy thuộc vào nhiều điều kiện hoàn toàn bị gò ép bởi các quy luật vật lý. Thiết kế máy bay, tàu chiến tàng hình không phải toàn bích. Đâu đó những kẽ hở sẽ bị lộ diện như chiếc tai của chú tiểu Hoichi trong câu chuyện "Quái Đàm" mà radar hay bộ cảm ứng tầm xa của đối phương sẽ dễ dàng phát hiện. Những phương pháp hay vật liệu làm mờ mắt radar tạo ra những bứt phá kỹ thuật chỉ kéo dài nhiều lắm vài năm. Công nghệ cảm ứng (sensing technology) càng lúc càng tạo ra những bộ cảm ứng (sensors) tinh vi, nhạy cảm tận dụng những vùng sóng điện từ chưa bao giờ sử dụng như vùng terahertz (THz) nằm giữa vùng vi ba và hồng ngoại hay vùng tử ngoại (ultraviolet). Trong khi đó, nghiên cứu siêu vật liệu vẫn còn trong trứng nước và các ứng dụng thực tiễn có lẽ còn xa vời.
12. Lời kết
Những điều trình bày trong bài viết này dựa trên các bài báo cáo và tư liệu công khai. Nhưng đây chỉ là phần nổi của tảng băng ngầm; một cánh cửa sổ nhỏ hé mở cho ta cơ hội đưa mắt khe khẽ nhìn vào một kho báu cơ mật. Con người thích đấu trí và chinh phục nhau. Radar tạo điều kiện cho sự phát triển của kỹ thuật tàng hình, ngay sau đó lại có kỹ thuật phản tàng hình. Một chiêu thức được tung ra không sớm thì muộn cũng sẽ bị hóa giải bằng một chiêu thức cao hơn, rồi lại bị khống chế bằng chiêu thức khác cao hơn nữa. Nghe như truyện kiếm hiệp Kim Dung, nhưng rất thật. Con người phát sóng truy lùng mục tiêu, rồi con người chế ngự những đường đi của sóng, thậm chí dặp tắt nó. Cái tuyệt vời là tất cả mọi thao tác đều tuân thủ theo phương trình Maxwell, một món quà vô giá mà Maxwell đã cống hiến cho nhân loại. Dù cho sóng có nhảy nhót ra sao, dù con người có uốn nắn những đường đi của sóng theo giai điệu nào, phương trình Maxwell là một chuẩn mực bao trùm mọi hành trạng và thao tác của sóng điện từ. May thay, nó không phải là những công thức toán học đầy ký hiệu khó hiểu, dày đặc con số thách thức tư duy loài người. Nó đơn giản không ngờ. Những công thức được dẫn xuất sau này, các đứa con của phương trình Maxwell, định lượng độ phản xạ của sóng hay tiên đoán những đặc tính điện từ, chiết suất của siêu vật liệu cũng là những biểu hiện toán học đơn giản. Rõ ràng, trong cuộc đấu trí "tàng hình" và "phản tàng hình", không phải lý thuyết phức tạp mà là các phương thức chế tạo (fabrication) vật liệu, dù là vật liệu thiên nhiên hay siêu vật liệu, cùng với sự kết hợp đa ngành sẽ là yếu tố quyết định sự phát triển của kỹ thuật tàng hình lôi kéo theo những ngành công nghệ liên quan, lúc nào cũng ở trong trạng thái động và vươn tới bằng những bước đi vạn dặm.
Trương Văn Tân
Tháng năm, 2010.
Phụ lục
a. Công thức định lượng độ phản xạ của sóng điện từ
Ta có một lớp phủ có bề dày, d, được phủ lên một bề mặt kim loại. Sóng điện từ di chuyển trong không khí (free space) và tác dụng lên bề mặt của lớp phủ. Sự tương tác gây ra tổng trở tới (incident impedance), Zin, tại bề mặt tiếp giáp giữa không khí và lớp phủ là
Zin = Zo(μ/ε)1/2 tanh(γd) (1.1)
Zo là tổng trở của không khí (= 377 Ω), μ là độ từ thẩm của lớp phủ, ε là độ điện thẩm của lớp phủ và γ là,
γ = j(2πf/c)(με)1/2 (1.2)
f là tần số, c là vận tốc sóng điện từ (và ánh sáng) trong chân không (khoảng 300.000 km/s) và j là số ảo j = (-1)1/2.
Độ phản xạ (reflectivity), Γ , của sóng điện từ từ bề mặt của lớp phủ được biểu hiện bởi công thức sau,
Γ = (Zin - Zo)/(Zin + Zo) (1.3)
Γ là một số phức. Thông thường, độ phản xạ Re (đơn vị decibel = dB) trong dạng log của Γ được sử dụng,
Re = 20 log10|Γ| (1.4)
|Γ| = trị số tuyệt đối của Γ.
Như vậy, khi 90% sóng bị hấp thụ, Re = -20 dB; 99% bị hấp thụ, Re = -40 dB, 99.9% bị hấp thụ Re = -60 dB.
b. Cấu trúc hấp thụ radar biết ứng biến
Trong bài viết quan trọng có tựa đề "Adaptive radar absorbing structure with PIN diode controlled active frequency selective surface" (Cấu trúc hấp thụ radar biết ứng biến có bề mặt chủ động chọn lọc tần số được chế ngự bằng PIN diode) (A. Tennant and B. Chambers, Smart Mater. Struct. 13 (2004) 122), tác giả tạo ra một mô hình điện học trong đó tổng trở Zs của lớp phủ là biến số của tổng trở tới Zin (xem công thức 1.1, Phụ lục 1). Zs này chứa ba yếu tố là điện trở R, điện dung C và điện cảm L, được biểu hiện bằng công thức sau,
Zs = R + jωL + 1/jωC (2.1)
ω = tần số góc, số ảo j = (-1)1/2.
Thay đổi các yếu tố R, C và L sẽ cho kết quả tối ưu với độ hấp thụ trên băng tần rộng. Tác giả sử dụng PIN diode thương mại có ba yếu tố này để chế tạo một cấu trúc hấp thụ radar mỏng hơn và hấp thụ sóng radar ở băng tần rộng hơn các lớp phủ của vật liệu hiện có.
c. Chiết suất và định luật Snell
Sự liên hệ của quang học và điện từ học được diễn tả bằng một công thức đơn giản gọi là quan hệ Maxwell,
n2 = εμ (3.1)
n là chiết suất của vật chất, ε là độ điện thẩm và μ là độ từ thẩm của vật chất đó.
Từ công thức 3.1 ta có,
n = ±(εμ)1/2 (3.2)
Nếu ε và μ cùng dương ta có,
n = (εμ)1/2 (3.3)
Nếu ε và μ cùng âm ta có,
n = -(εμ)1/2 (3.4)
Theo định luật Snell, sự khúc xạ của tia sáng tuân theo công thức,
n2sin θ2 = n1sin θ1 (3.5)
n1, n2: chiết suất của môi trường 1 và 2, θ1: góc tới trong môi trường 1 và θ2: góc khúc xạ trong môi trường 2.
Chiết suất tương đối của không khí là 1 và của nước là 1,33. Một tia sáng tới trong không khí chạm mặt nước một góc tới 60° thì góc khúc xạ θ2 là,
sin θ2 = (1/1,33)sin 60°
θ2 = 41°
Nếu môi trường 2 có chiết suất âm, -1,33, thì θ2 là (xem Hình 10a)
θ2 = -41°