Khi thổi bong bóng xà phòng, những sắc hồng, xanh lá và xanh lam cuộn chảy như xoáy nước trên lớp màng trong suốt. Sau cơn mưa, chỉ cần một ít dầu loang trên vũng nước đọng trên mặt đường nhựa là cũng có thể tạo ra một vệt màu cầu vồng. Nước xà phòng và dầu vốn gần như không có màu, vậy tại sao lại xuất hiện những sắc màu rực rỡ đến vậy?
Bí mật không nằm ở sơn hay sắc tố mà ở bản chất của ánh sáng. Khi ánh sáng phản xạ lần lượt từ mặt trên và mặt dưới của một lớp màng rất mỏng chồng lên nhau, có màu sẽ mạnh lên và có màu sẽ yếu đi. Hiện tượng này được gọi là ‘giao thoa màng mỏng (Thin-Film Interference)’. Đây là hiện tượng xảy ra khi lớp màng mỏng đến mức độ dày của nó gần bằng bước sóng ánh sáng.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu nguyên lý cơ bản tạo nên giao thoa màng mỏng, các điều kiện quyết định màu sắc, những ví dụ thường ngày như bong bóng xà phòng và vệt dầu loang, cũng như những ứng dụng ẩn chứa trong tròng kính mắt và trong các sinh vật ngoài tự nhiên.
Màu sắc của ánh sáng do lớp màng mỏng tạo nên
Ánh sáng phản xạ hai lần
Để hiểu giao thoa màng mỏng, trước hết cần nhớ rằng ánh sáng là một loại sóng nhấp nhô như sóng nước. Khi gặp nhau, các sóng có thể cộng thêm vào nhau hoặc triệt tiêu lẫn nhau.
(1) Mặt trên và mặt dưới
Khi ánh sáng chạm vào một lớp màng mỏng, một phần phản xạ ngay tại mặt trên của màng, phần còn lại đi vào bên trong màng, phản xạ ở mặt dưới rồi quay trở ra ngoài. Vì vậy, mắt chúng ta nhận được cùng lúc hai chùm sáng xuất phát giống nhau nhưng đã đi qua những quãng đường hơi khác nhau.
(2) Giao thoa tăng cường và giao thoa triệt tiêu
Khi đỉnh sóng của hai chùm sáng trùng khớp với nhau, ánh sáng trở nên sáng hơn, gọi là giao thoa tăng cường. Ngược lại, khi đỉnh sóng của chùm này chồng lên đáy sóng của chùm kia, ánh sáng triệt tiêu lẫn nhau và tối đi, gọi là giao thoa triệt tiêu. Màu sắc ta thấy trong giao thoa màng mỏng chính là kết quả của hai hiện tượng này diễn ra khác nhau đối với từng màu.
(3) Bằng chứng cho thuyết sóng
Màu sắc của màng mỏng cũng đã được Robert Hooke và Isaac Newton quan sát vào thế kỷ 17. Khi Thomas Young giải thích những màu này bằng sự giao thoa ánh sáng vào đầu những năm 1800, giao thoa màng mỏng đã trở thành một bằng chứng quan trọng cho thấy ánh sáng là sóng.
Các điều kiện quyết định màu sắc
Ánh sáng mặt trời là hỗn hợp của ánh sáng nhiều màu, và mỗi màu có bước sóng khác nhau. Màu ta nhìn thấy thay đổi tùy theo quãng đường ánh sáng đi thêm bên trong màng trùng khớp với bước sóng của màu nào.
(1) Độ dày của màng
Khi độ dày của màng thay đổi, hiệu quãng đường giữa hai chùm sáng cũng thay đổi theo. Vì thế, trên một lớp màng có độ dày không đều, ở mỗi vị trí lại có một màu khác được tăng cường, tạo thành những dải nhiều màu.
(2) Góc nhìn
Ngay cả với cùng một lớp màng, khi nhìn nghiêng thì quãng đường ánh sáng đi qua bên trong màng cũng thay đổi. Đó cũng là lý do màu sắc dường như biến đổi khi ta xoay bong bóng xà phòng qua lại. Chỉ cần người nhìn đổi chỗ đứng là màu ở cùng một điểm đã có thể khác đi.
(3) Chất tạo nên màng
Ánh sáng đi chậm lại bên trong vật chất, nên dù cùng độ dày, hiệu quãng đường vẫn khác nhau tùy theo chiết suất của chất đó. Ngoài ra, khi phản xạ trên bề mặt của chất có chiết suất lớn hơn, sóng ánh sáng bị lật ngược nửa bước sóng, và hiệu ứng này cũng ảnh hưởng đến việc màu nào còn lại. Ở một lớp màng được bao quanh bởi không khí như màng nước xà phòng, chỉ ánh sáng phản xạ từ mặt trên bị lật ngược, nên khi màng gần như không có độ dày, hai chùm sáng sẽ triệt tiêu lẫn nhau.
Sắc cầu vồng trong đời sống thường ngày
Giao thoa màng mỏng xuất hiện trong cuộc sống thường ngày còn nhiều hơn trong phòng thí nghiệm. Điểm chung của chúng là đều có một lớp màng mỏng cỡ bước sóng ánh sáng.
- Bong bóng xà phòng (Soap Bubble): Màng nước xà phòng chảy xuống dưới do trọng lực và mỏng dần từ phía trên, các dải màu di chuyển theo sự thay đổi của độ dày.
- Màng đen (Black Film): Khi màng trở nên mỏng hơn bước sóng ánh sáng rất nhiều, hai chùm sáng phản xạ triệt tiêu lẫn nhau nên trông có màu đen, và vào lúc này bong bóng sắp vỡ.
- Vệt dầu loang (Oil Slick): Lớp dầu rất mỏng loang trên mặt nước tạo ra những hoa văn có màu khác nhau tùy theo độ dày.
- Vân tròn Newton (Newton’s Rings): Khi đặt một thấu kính lồi lên tấm kính phẳng, lớp không khí mỏng giữa hai vật tạo ra những vân hình tròn đồng tâm, và chính giữa, nơi thấu kính chạm vào kính, trông tối.
Giao thoa màng mỏng trong công nghệ và tự nhiên
Con người ứng dụng tính chất của giao thoa màng mỏng, vốn có thể triệt tiêu ánh sáng hoặc chỉ tăng cường những màu mong muốn, vào nhiều công nghệ. Các sinh vật trong tự nhiên cũng đã sử dụng cùng nguyên lý này từ lâu.
(1) Lớp phủ chống phản xạ
Bề mặt tròng kính mắt và ống kính máy ảnh được phủ một lớp màng rất mỏng. Khi độ dày của màng được điều chỉnh vừa đúng, ánh sáng phản xạ từ bề mặt sẽ triệt tiêu lẫn nhau, giúp giảm chói và cho nhiều ánh sáng đi qua thấu kính hơn. Việc nhìn nghiêng vào tròng kính có phủ lớp chống phản xạ thấy ánh lên sắc xanh lá hay tím nhạt cũng là do ánh sáng của một số màu không bị triệt tiêu vẫn còn lại và phản xạ ra.
(2) Công cụ đo độ dày
Nếu tận dụng ngược lại việc màu sắc thay đổi theo độ dày, ta có thể phân tích ánh sáng phản xạ để đo độ dày của những lớp màng mỏng đến mức mắt thường không thấy được. Trong quy trình sản xuất chất bán dẫn, người ta cũng dùng phương pháp này để kiểm tra độ dày của màng.
(3) Màu sắc không cần sắc tố
Cánh bướm Morpho và vỏ của một số loài côn trùng tạo ra màu sắc lấp lánh không phải nhờ sắc tố mà nhờ cấu trúc gồm nhiều lớp mỏng xếp chồng lên nhau. Những màu như vậy được gọi là màu cấu trúc, và nền tảng của chúng chính là nguyên lý giống với giao thoa màng mỏng.
Giao thoa màng mỏng là hiện tượng độ dày của một lớp màng không nhìn thấy được gặp gỡ bước sóng ánh sáng để tạo ra màu sắc. Thật thú vị khi sắc cầu vồng của bong bóng xà phòng và lớp phủ trên tròng kính mắt lại bắt nguồn từ cùng một nguyên lý.
Biết rằng ngay cả trong một màu sắc quen thuộc cũng ẩn chứa con đường mà ánh sáng đã đi qua, đó chính là bước đầu tiên của khoa học khi khám phá thế giới ánh sáng.
