Thấu kính Luneburg bằng silicon

Các nhà vật lí ở Anh vừa chế tạo ra một thấu kính Luneburg – thấu kính có khả năng hội tụ ánh sáng đến từ mọi hướng như nhau – trên một con chip silicon. Dụng cụ trên một ngày nào đó có thể có ứng dụng trong lĩnh vực quang học Fourier trên chip mà ngành công nghiệp viễn thông sử dụng để thực hiện những công việc từ sự giảm nhiễu cho đến sự nén dữ liệu.

Đa số các thấu kính thực tế đều có quang sai, nghĩa là khả năng hội tụ ánh sáng của chúng bị giảm khi ánh sáng lệch khỏi trục chính. Nhưng ở thấu kính Luneburg, đã được đề xuất hơn 60 năm trước đây, khả năng hội tụ ánh sáng là như nhau cho dù ánh sáng tới ở góc độ nào.

Một thấu kính Luneburg lí tưởng (đĩa màu xanh) làm hội tụ mọi tia sáng (màu đỏ) truyền theo một hướng đến điểm mà mép của nó nằm trong hướng đó. Một sóng phẳng tới (các vạch màu hoa oải hương đến từ phía bên phải) với bước sóng bằng một nửa bán kính của thấu kính bị hội tụ đến một đốm có bề rộng chừng nửa bước sóng. (Ảnh: Ulf Leonhardt)

Nhưng việc chế tạo thấu kính Luneburg tỏ ra không hề đơn giản. Chúng đòi hỏi chiết suất – tính chất chi phối khả năng bẻ cong tia sáng của một thấu kính – biến thiên từ phía này đến phía kia của dụng cụ, với cực đại lớn hơn cực tiểu √2 (chừng 1,4) lần. Với công nghệ ngày nay, không thể nào pha tạp chất vào một chất liệu để đạt tới mức trái ngược chiết suất như thế này. Các nhà nghiên cứu đã cố gắng chế tạo những phiên bản gần đúng trong quá khứ, nhưng họ chưa lần nào thành công trọn vẹn.

‘Thành tựu tuyệt vời’

Nay Ulf Leonhardt và các đồng nghiệp tại trường Đại học St Andrews vừa chế tạo một thấu kính Luneburg cho ánh sáng hồng ngoại với một bộ điều sóng bằng silicon. “Người ta nghĩ rằng không thể chế tạo một thấu kính Luneburg trong vùng phổ khả kiến, nhưng lân cận phổ khả kiến, với chi phí hợp lí”, phát biểu của Juan Miñano, một nhà nghiên cứu quang học thuộc trường Đại học Kĩ thuật Madrid, người không có liên quan gì trong nghiên cứu trên. “May thay, Leonhardt đã không dừng bước trước lối nghĩ mà nhiều người chấp nhận đó và đang làm chúng ta say đắm với thành tựu này”.

Dụng cụ của Leonhardt và các đồng nghiệp là một mẩu silicon hiển vi, được định hình giống như một kính sát tròng và kẹp ở giữa hai lớp polymer và silica lớn hơn trên một chất nền. Khi các nhà nghiên cứu chiếu một chùm ánh sáng ở bước sóng 1575 nm lên trên dụng cụ, thì nó bám chặt lớp tiếp xúc giữa polymer và silica cho đến khi nó đi tới thấu kính, tại điểm đó nó trở nên bị giam cầm mạnh mẽ. Thật vậy, hình dạng của bộ điều sóng thấu kính tạo ra một đặc trưng chiết suất biến thiên từ 1,4 đến 2,8, làm hội tụ chùm tia vào một đốm đường kính 3770 nm.

Đối với một thấu kính Luneburg lí tưởng, đốm hội tụ này sẽ bằng nửa bước sóng, hay chừng 800 nm – nhỏ hơn gần năm lần so với giá trị đo được của Leonhardt và các đồng nghiệp. Leonhardt cho biết sự khác biệt đó là do các hạn chế với thiết bị quang học, và một chùm tia bao trùm toàn bộ thấu kính, thay vì chỉ một phần, sẽ mang lại độ phân giải tốt nhất.

Cần nghiên cứu thêm

Igor Smolyaninov, một nhà nghiên cứu tại trường Đại học Maryland, Mĩ, người cũng từng nghiên cứu với các thấu kính mới lạ, nghĩ rằng thấu kính Luneburg điều sóng là một “kết quả quan trọng”. Nhưng ông lưu ý rằng “cần có thêm nghiên cứu” trước khi có thể thu được hình ảnh hoàn hảo.

Thật vậy, kể từ lúc nhóm của Leonhardt đăng tải bản thảo của họ lên arXiv, một nhóm nghiên cứu đã tìm ra lộ trình hướng đến một thấu kính Luneburg. Trong một bài báo sắp công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology (có thể đọc tại arXiv:1101.2493), Xiang Zhang ở trường Đại học California, Berkeley, và một số tác giả khác, trình bày rằng một thấu kính Luneburg có thể làm hội tụ các plasmon mặt – các sóng electron trong kim loại.

“Cái do những nghiên cứu mới đây của hai nhóm này cho thấy là, bằng cách sử dụng các công thức của quang học biến đổi, thiết kế của các dụng cụ dùng trong nghiên cứu quang học Fourier trở nên dễ dàng hơn và khéo léo hơn”, phát biểu của Francisco Garcìa-Vidal, một nhà nghiên cứu quang học tại trường Đại học Tự trị Madrid. “Đó là một bước quan trọng hướng đến một vật tồn tại lâu dài”.

Nguồn: physicsworld.com