Thụy Sĩ vừa tạo ra "kỳ quan" quang học: Siêu thấu kính mỏng hơn tóc, "hô biến" tia vô hình thành hữu hình!

[Dũng Đỗ]

Các nhà khoa học tại ETH Zurich, Thụy Sĩ đã phát triển một siêu thấu kính siêu mỏng bằng cách in trực tiếp các mẫu nano lên tinh thể lithium niobat. Công nghệ "nanoforming" mới này cho phép chuyển đổi ánh sáng hồng ngoại thành ánh sáng khả kiến, mở ra tiềm năng to lớn cho camera siêu mỏng, thiết bị nhìn đêm và công nghệ chống làm giả.

"Viết lại quy tắc" công nghệ quang học hồng ngoại

Một bước đột phá đáng chú ý trong lĩnh vực quang học vừa được ghi nhận tại Thụy Sĩ. Các nhà khoa học tại trường đại học danh tiếng ETH Zurich đã công bố việc phát triển thành công một loại siêu thấu kính (superlens) siêu mỏng, có khả năng thực hiện một nhiệm vụ mà trước đây đòi hỏi những thiết bị cồng kềnh và phức tạp: chuyển đổi ánh sáng hồng ngoại vốn vô hình với mắt người thành ánh sáng khả kiến (visible light).
Đây là thành tựu của nhóm nghiên cứu do phó giáo sư Rachel Grange tại ETH Zurich dẫn đầu, được kỳ vọng sẽ mở ra tiềm năng to lớn cho tương lai của các thiết bị quang học siêu nhỏ và công nghệ hồng ngoại. Nghiên cứu này đã được công bố chính thức trên tạp chí khoa học hàng đầu Advanced Materials.

Siêu thấu kính "tí hon" với khả năng phi thường

Bằng cách in trực tiếp các mẫu cấu trúc nano lên bề mặt tinh thể lithium niobat (LiNbO₃) – một loại vật liệu quang học quan trọng – nhóm nghiên cứu đã tạo ra một loại thấu kính có độ mỏng đáng kinh ngạc, chỉ bằng 1/40 độ dày của một sợi tóc người. Mặc dù siêu mỏng, thấu kính này lại có khả năng điều khiển và biến đổi ánh sáng với độ chính xác rất cao, một điều vốn được cho là cực kỳ khó khăn, thậm chí là bất khả thi trước đây với các vật liệu và quy trình truyền thống ở quy mô nano.

Điểm đặc biệt và mang tính cách mạng nhất của siêu thấu kính này là khả năng "cắt đôi" bước sóng của tia hồng ngoại. Cụ thể, nó có thể chuyển đổi tia hồng ngoại có bước sóng 800 nanomet (nm) xuống chỉ còn 400 nanomet. Bước sóng 400nm nằm trong vùng ánh sáng tím của quang phổ khả kiến, do đó mắt người có thể nhìn thấy được. Về cơ bản, siêu thấu kính này đã biến một loại ánh sáng vô hình thành hữu hình.

Quy trình sản xuất "Nanoforming" đột phá

Thành công của phát minh này không chỉ nằm ở khả năng quang học độc đáo mà còn ở quy trình sản xuất tiên tiến. Thay vì sử dụng các phương pháp chế tạo cấu trúc nano truyền thống (như khắc axit hoặc chiếu chùm ion), vốn gặp rất nhiều khó khăn do độ cứng và tính ổn định hóa học cao của vật liệu lithium niobat, nhóm nghiên cứu của phó giáo sư Grange đã phát triển một quy trình hoàn toàn mới gọi là “nanoforming”.

Quy trình "nanoforming" cho phép các nhà khoa học tạo hình một cách chính xác các mẫu cấu trúc nano ngay bên trong một dung dịch tiền chất lỏng của tinh thể lithium niobat. Sau đó, dưới tác động của nhiệt độ cao (khoảng 600 độ C), các cấu trúc nano này sẽ được cố định lại và kết tinh, hình thành nên các đặc tính quang học phi tuyến tính (nonlinear optical properties) đặc biệt. Chính những đặc tính phi tuyến tính này là yếu tố then chốt giúp thấu kính có thể thực hiện việc chuyển đổi bước sóng ánh sáng hồng ngoại thành ánh sáng khả kiến.

Phương pháp này được mô tả là có phần giống với quy trình in Gutenberg lịch sử (cuộc cách mạng trong ngành in ấn ở châu Âu vào thế kỷ 15). Trong đó, "mực in" ở đây chính là các cấu trúc nano được "đổ" vào một khuôn đảo ngược (inverse mold) có thể tái sử dụng nhiều lần. Điều này mở ra khả năng sản xuất hàng loạt các siêu thấu kính với độ chính xác cực cao và chi phí thấp hơn nhiều so với các phương pháp trước đây. Kỹ thuật này đã vượt qua được rào cản lớn nhất trong việc chế tạo các cấu trúc nano phức tạp từ vật liệu lithium niobat.

Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm đã cho thấy siêu thấu kính này có thể tập trung một chùm tia laser hồng ngoại thành một điểm ánh sáng tím rõ nét chỉ bằng một điểm hội tụ siêu nhỏ. Đây là kết quả của hiệu ứng quang học phi tuyến tính, vốn trước đây chỉ có thể đạt được với các tinh thể quang học lớn và các hệ thống thiết bị phức tạp, giờ đây đã được tích hợp một cách gọn gàng trong một cấu trúc siêu mỏng.

Tiềm năng ứng dụng rộng lớn trong nhiều lĩnh vực

Phát minh siêu thấu kính siêu mỏng này không chỉ là một công trình mang tính học thuật đơn thuần mà còn được kỳ vọng sẽ có những ứng dụng rộng rãi và mang tính cách mạng trong nhiều lĩnh vực thực tế:

• Thiết bị quang học nhỏ gọn: Chế tạo các loại máy ảnh siêu mỏng, các cảm biến hình ảnh công nghệ cao với kích thước nhỏ hơn và hiệu suất cao hơn.
• Công nghệ chống làm giả: Các đặc tính quang học độc đáo của siêu thấu kính có thể được sử dụng để tạo ra các dấu hiệu bảo an, chống làm giả trên tiền giấy, các loại giấy tờ có giá hoặc các sản phẩm cao cấp.
• Nhìn đêm và camera nhiệt: Có thể thay đổi hoàn toàn cách chế tạo các thiết bị nhìn đêm và camera nhiệt, vốn là những công cụ chủ chốt trong ngành an ninh, quốc phòng và nghiên cứu khoa học, bằng cách đơn giản hóa cấu trúc, giảm kích thước và giảm thiểu chi phí sản xuất.
• Sản xuất công nghệ cao: Thấu kính này có tiềm năng thay thế các thiết bị quang khắc cực tím sâu (DUV lithography) vốn rất đắt đỏ trong ngành công nghiệp bán dẫn, từ đó giúp đơn giản hóa quy trình sản xuất các thế hệ chip bán dẫn tiếp theo.
• Y tế và nghiên cứu khoa học: Hưởng lợi từ việc chế tạo các hệ thống hình ảnh y tế nhỏ gọn và chính xác hơn, phục vụ cho công tác chẩn đoán bệnh hoặc phân tích sinh học ở cấp độ tế bào và nano.

“Chúng tôi chỉ mới chạm đến bề mặt của những tiềm năng to lớn mà các bề mặt quang học siêu mỏng (metasurfaces) có thể mang lại,” phó giáo sư Rachel Grange chia sẻ. “Đây là một lĩnh vực khoa học hoàn toàn mới mẻ, nằm ở giao điểm giữa vật lý, khoa học vật liệu và hóa học. Chúng tôi thực sự rất phấn khích trước những ảnh hưởng mà công nghệ tiết kiệm chi phí này sẽ đem lại cho thế giới trong tương lai.”

Đây được xem là một cột mốc mới trong hành trình không ngừng thu nhỏ và đơn giản hóa các thiết bị quang học, mở ra một kỷ nguyên mới cho công nghệ nhìn ban đêm, các loại cảm biến thông minh, hệ thống hình ảnh y tế và thậm chí là cả các ứng dụng tiêu dùng hàng ngày mà chúng ta chưa thể hình dung hết.