Luận văn nghiên cứu mở rộng dải tần hoạt động của vật liệu biến hóa có độ từ thẩm và chiết suất âm

Bài viết nghiên cứu về vật liệu biến hóa có độ từ thẩm và chiết suất âm, mở rộng dải tần hoạt động, giúp hiểu rõ hơn về tiềm năng ứng dụng của vật liệu này trong các lĩnh vực k...

• Tác giả: Nguyễn Văn A
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý
• Đề tài: Mở rộng dải tần hoạt động của vật liệu biến hóa: Từ thẩm và chiết suất âm
• Loại tài liệu: Luận văn
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu sơ lược về tình hình nghiên cứu vật liệu biến hóa có chiết suất âm
• 1.2. Phân loại về vật liệu biến hóa
• 1.3. Vật liệu có độ điện thẩm âm
• 1.4. Vật liệu có độ từ thẩm âm
• 1.5. Vật liệu có chiết suất âm
• 1.6. Một số tính chất và ứng dụng của vật liệu biến hóa
• 1.7. Mô hình vật lí để mở rộng vùng có độ từ thẩm âm và chiết suất âm
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu biến hóa

Vật liệu biến hóa là một loại vật liệu nhân tạo, được hình thành từ việc sắp xếp có quy luật các ô cấu trúc. Tính chất của vật liệu biến hóa chủ yếu phụ thuộc vào hình dạng và cấu trúc của nó, hơn là thành phần vật liệu. Một trong những loại vật liệu biến hóa được nghiên cứu nhiều nhất là vật liệu biến hóa có chiết suất âm. Vật liệu này được chế tạo thành công lần đầu vào năm 2000 và có nhiều ứng dụng tiềm năng trong thực tế như siêu thấu kính và áo choàng tàng hình. Tuy nhiên, để đưa vật liệu biến hóa vào ứng dụng thực tế, cần giải quyết nhiều vấn đề, trong đó có việc mở rộng dải tần hoạt động của vật liệu. Việc nghiên cứu mở rộng dải tần hoạt động là rất quan trọng, vì nó giúp tăng cường khả năng ứng dụng của vật liệu biến hóa trong các lĩnh vực như cảm biến, ăngten và truyền năng lượng không dây.

1.1. Tình hình nghiên cứu vật liệu biến hóa

Nghiên cứu về vật liệu biến hóa có chiết suất âm đã thu hút sự quan tâm lớn từ các nhà khoa học. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, vật liệu biến hóa có thể tạo ra những tính chất điện từ và quang học bất thường, như sự nghịch đảo của định luật Snell và dịch chuyển Doppler. Những tính chất này mở ra nhiều khả năng ứng dụng trong thực tế, từ siêu thấu kính đến các thiết bị tàng hình. Tuy nhiên, để hiện thực hóa các ứng dụng này, cần phải tìm ra cấu trúc đơn giản và dễ chế tạo, đồng thời mở rộng vùng tần số hoạt động của vật liệu. Việc nghiên cứu mở rộng dải tần hoạt động của vật liệu biến hóa có chiết suất âm là một thách thức lớn, nhưng cũng là một cơ hội để phát triển các ứng dụng mới trong tương lai.

II. Phương pháp nghiên cứu

Luận văn này sử dụng phương pháp kết hợp giữa mô phỏng và tính toán để nghiên cứu vật liệu biến hóa có độ từ thẩm và chiết suất âm rộng. Mô hình nghiên cứu được xây dựng dựa trên các cấu trúc như lưới dây kim loại và vòng cộng hưởng có rãnh (SRR). Các mô hình này cho phép mở rộng dải tần hoạt động của vật liệu bằng cách kết hợp các vùng có độ từ thẩm âm và độ điện thẩm âm. Phương pháp này không chỉ giúp tối ưu hóa cấu trúc mà còn giảm thiểu tổn hao điện từ trong quá trình hoạt động. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, việc sử dụng mô hình lai hóa có thể tạo ra các vật liệu biến hóa với tính chất ưu việt hơn, mở ra nhiều khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực công nghệ cao.

2.1. Mô hình lai hóa

Mô hình lai hóa được áp dụng trong nghiên cứu này nhằm mở rộng dải tần hoạt động của vật liệu biến hóa. Cấu trúc CWP (cut-wire pair) được sử dụng như một nguyên tử meta từ, cho phép tạo ra độ từ thẩm âm. Mô hình này kết hợp giữa cộng hưởng điện và từ, giúp tăng cường khả năng tương tác giữa các sóng điện từ. Kết quả cho thấy rằng, việc sử dụng mô hình lai hóa không chỉ giúp mở rộng vùng tần số mà còn cải thiện tính chất quang học của vật liệu biến hóa. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các ứng dụng mới, từ cảm biến đến thiết bị truyền thông.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, việc mở rộng dải tần hoạt động của vật liệu biến hóa có chiết suất âm là khả thi thông qua việc tối ưu hóa cấu trúc. Các thí nghiệm thực nghiệm đã chứng minh rằng, cấu trúc CWP có thể tạo ra độ từ thẩm âm và chiết suất âm rộng hơn so với các cấu trúc truyền thống. Điều này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của vật liệu biến hóa mà còn mở ra nhiều khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực như y tế, quân sự và công nghệ thông tin. Những phát hiện này có thể dẫn đến sự phát triển của các thiết bị mới, từ siêu thấu kính đến các hệ thống truyền thông không dây hiệu quả hơn.

3.1. Ứng dụng thực tiễn

Các ứng dụng của vật liệu biến hóa có chiết suất âm rất đa dạng. Từ siêu thấu kính, giúp tăng cường độ phân giải hình ảnh, đến áo choàng tàng hình, cho phép che chắn sóng điện từ. Những ứng dụng này không chỉ mang lại lợi ích trong lĩnh vực khoa học mà còn có tiềm năng lớn trong công nghiệp và quân sự. Việc mở rộng dải tần hoạt động của vật liệu biến hóa sẽ tạo ra nhiều cơ hội mới cho các nghiên cứu và phát triển công nghệ, từ cảm biến sinh học đến các thiết bị truyền thông tiên tiến.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh khoa học kỹ thuật phát triển nhanh chóng, nhu cầu tạo ra vật liệu mới với tính chất ưu việt hơn, chi phí thấp hơn và khả năng ứng dụng rộng rãi ngày càng tăng cao. Vật liệu biến hóa, đặc biệt là vật liệu có chiết suất âm, đã trở thành chủ đề nghiên cứu trọng điểm trong lĩnh vực vật lý vật liệu và kỹ thuật điện tử. Vật liệu này được định nghĩa là vật liệu nhân tạo có đồng thời độ từ thẩm âm (μ < 0) và độ điện thẩm âm (ε < 0) trên cùng một dải tần số, tạo ra các hiện tượng điện từ bất thường như nghịch đảo định luật Snell, dịch chuyển Doppler và phát xạ Cherenkov.

Mục tiêu chính của luận văn là thiết kế và chế tạo vật liệu biến hóa có độ từ thẩm và chiết suất âm rộng, tập trung nghiên cứu trong vùng sóng radar (12 GHz đến 18 GHz). Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc khảo sát cấu trúc vật liệu biến hóa dựa trên mô hình lai hóa và mô phỏng điện từ, nhằm mở rộng vùng tần số hoạt động và giảm sự phụ thuộc vào phân cực sóng điện từ. Ý nghĩa khoa học của luận văn nằm ở việc tìm ra cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo, có độ truyền qua cao và không phụ thuộc phân cực, đồng thời mở rộng vùng tần số hoạt động của vật liệu biến hóa. Về thực tiễn, kết quả nghiên cứu góp phần thúc đẩy ứng dụng vật liệu biến hóa trong các thiết bị siêu thấu kính, antenna, và công nghệ tàng hình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết vật liệu biến hóa với chiết suất âm và mô hình lai hóa plasmon để mở rộng vùng tần số hoạt động. Vật liệu biến hóa được phân loại dựa trên giá trị độ điện thẩm ε và độ từ thẩm μ, trong đó vùng chiết suất âm kép (ε < 0, μ < 0) là vùng quan trọng nhất cho ứng dụng thực tế.

Mô hình lai hóa bậc một và bậc hai được áp dụng cho cấu trúc cặp dây bị cắt (Cut-Wire Pair - CWP) và cấu trúc cặp đĩa nhằm giải thích sự tương tác cộng hưởng điện và cộng hưởng từ, từ đó mở rộng vùng có độ từ thẩm âm. Các khái niệm chính bao gồm:

• Độ điện thẩm âm (ε < 0) tạo ra bởi lưới dây kim loại liên tục.
• Độ từ thẩm âm (μ < 0) sinh ra từ cấu trúc cộng hưởng như SRR, CWP và cặp đĩa.
• Mô hình mạch điện tương đương LC dùng để tính toán tần số cộng hưởng từ và điện.
• Thuật toán tính toán tham số điện từ dựa trên phương pháp của Chen để xác định ε, μ, n từ các tham số phản xạ và truyền qua.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng kết hợp mô phỏng CST Microwave Studio và tính toán lý thuyết dựa trên mô hình mạch LC và thuật toán Chen. Cỡ mẫu nghiên cứu là các cấu trúc vật liệu biến hóa với các tham số hình học khác nhau, được lựa chọn dựa trên các tiêu chí về kích thước, vật liệu (đồng và FR4), và điều kiện phân cực sóng điện từ. Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn cấu trúc biến đổi từ SRR sang CWP và cặp đĩa nhằm tối ưu hóa vùng tần số hoạt động.

Quá trình nghiên cứu gồm ba bước chính:

1. Thiết kế cấu trúc vật liệu biến hóa với các tham số hình học khác nhau.
2. Mô phỏng điện từ để thu thập các tham số phản xạ S11 và truyền qua S21.
3. Tính toán các tham số điện từ ε, μ, n dựa trên thuật toán Chen và so sánh với mô hình mạch LC để đánh giá hiệu quả mở rộng vùng tần số.

Thời gian nghiên cứu tập trung trong khoảng tần số 12 GHz đến 18 GHz, phù hợp với ứng dụng radar và các thiết bị vi sóng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mở rộng vùng từ thẩm âm bằng cấu trúc đĩa hai lớp:
   Khi giảm khoảng cách giữa hai lớp đĩa (d) từ 1.6 mm xuống 0.2 mm, vùng có độ từ thẩm âm được mở rộng rõ rệt, với hai đỉnh cộng hưởng từ tại khoảng 13.8 GHz và 14.5 GHz, tăng độ rộng vùng từ thẩm âm lên khoảng 20%. Khi tăng chiều dày lớp điện môi (td) từ 0.4 mm lên 0.8 mm, vùng từ thẩm âm cũng được mở rộng và dịch chuyển tần số cộng hưởng từ lên cao hơn khoảng 5%.

2. Không phụ thuộc phân cực sóng điện từ:
   Cấu trúc cặp đĩa thể hiện tính đẳng hướng, vùng từ thẩm âm và chiết suất âm không thay đổi khi góc phân cực sóng điện từ thay đổi từ 0° đến 30°, khắc phục hạn chế của cấu trúc CWP truyền thống.

3. Mở rộng vùng chiết suất âm bằng cấu trúc lưới đĩa hai lớp:
   Khi giảm khoảng cách hai lớp d từ 2.4 mm xuống 0.4 mm, vùng chiết suất âm kép (n < 0) được mở rộng đến khoảng 10% băng tần, với độ truyền qua trên 60%. Tần số plasma của lưới dây kim loại không bị ảnh hưởng đáng kể bởi d, luôn cao hơn vùng từ thẩm âm, đảm bảo điều kiện chiết suất âm kép.

4. Ảnh hưởng các tham số cấu trúc:

   • Độ rộng dây kim loại liên tục (w) tăng từ 0.5 mm đến 4 mm làm dịch chuyển vùng chiết suất âm về tần số cao, nhưng giảm độ truyền qua và độ rộng vùng chiết suất âm. Giá trị tối ưu w là 0.5 mm.
   • Bán kính đĩa (R) tăng làm dịch chuyển vùng chiết suất âm về tần số thấp, nhưng giảm độ truyền qua.
   • Chiều dày lớp điện môi (td) tăng làm dịch chuyển tần số cộng hưởng từ lên cao và mở rộng vùng chiết suất âm đến một giới hạn tối ưu (td ≈ 0.8 mm), sau đó vùng chiết suất âm bị thu hẹp do tần số plasma dịch chuyển vào vùng từ thẩm âm.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy mô hình lai hóa bậc hai áp dụng cho cấu trúc cặp đĩa hai lớp là hiệu quả trong việc mở rộng vùng từ thẩm âm và chiết suất âm, đồng thời khắc phục được nhược điểm phụ thuộc phân cực của các cấu trúc trước đây như CWP và SRR. Việc sử dụng cấu trúc lưới đĩa hai lớp kết hợp với dây kim loại liên tục tạo ra vùng điện thẩm âm rộng dưới tần số plasma, giúp mở rộng vùng chiết suất âm kép với tổn hao thấp và độ truyền qua cao.

So sánh với các nghiên cứu trước, vùng chiết suất âm kép đạt được trong luận văn rộng hơn khoảng 10%, độ truyền qua đạt trên 60%, cao hơn đáng kể so với các cấu trúc kết hợp và lưới cá hai lớp trước đây (40-60%). Các biểu đồ phổ truyền qua, phần thực của ε, μ và n minh họa rõ sự mở rộng vùng tần số và sự tương ứng giữa các tham số điện từ với hiệu ứng lai hóa.

Những kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu biến hóa ứng dụng trong radar, siêu thấu kính và công nghệ tàng hình, đồng thời mở ra hướng nghiên cứu mới về cấu trúc đối xứng và mô hình lai hóa bậc cao.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa khoảng cách hai lớp (d) và chiều dày lớp điện môi (td):
   Thực hiện điều chỉnh d trong khoảng 0.4 - 0.8 mm và td khoảng 0.8 mm để đạt vùng chiết suất âm rộng nhất với độ truyền qua cao, áp dụng trong chế tạo vật liệu biến hóa cho radar.

2. Sử dụng cấu trúc cặp đĩa và lưới đĩa đối xứng:
   Khuyến nghị áp dụng cấu trúc này để giảm phụ thuộc phân cực sóng điện từ, tăng tính ổn định và hiệu quả trong các ứng dụng thực tế, đặc biệt trong môi trường đa hướng.

3. Kiểm soát độ rộng dây kim loại liên tục (w):
   Giữ w ở mức 0.5 mm để cân bằng giữa vùng chiết suất âm rộng và tổn hao thấp, đảm bảo hiệu suất truyền qua cao trong thiết kế vật liệu.

4. Phát triển mô hình lai hóa bậc cao:
   Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục mở rộng vùng tần số hoạt động bằng cách áp dụng mô hình lai hóa bậc ba hoặc cao hơn với nhiều lớp cấu trúc, nhằm nâng cao hiệu quả và đa dạng hóa ứng dụng.

5. Chủ thể thực hiện:
   Các nhóm nghiên cứu vật liệu biến hóa, các phòng thí nghiệm vật lý vật liệu và các doanh nghiệp công nghệ cao nên phối hợp để triển khai các giải pháp trên trong vòng 1-2 năm tới, nhằm đưa vật liệu biến hóa vào ứng dụng thực tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu biến hóa:
   Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp mô phỏng chi tiết, giúp các nhà khoa học phát triển vật liệu có chiết suất âm rộng và ổn định.

2. Kỹ sư thiết kế radar và vi sóng:
   Các kết quả về mở rộng vùng tần số và giảm tổn hao truyền qua hỗ trợ thiết kế anten và thiết bị radar hiệu suất cao.

3. Chuyên gia công nghệ tàng hình và siêu thấu kính:
   Thông tin về cấu trúc đối xứng và mô hình lai hóa giúp phát triển các thiết bị tàng hình và siêu thấu kính với hiệu quả vượt trội.

4. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu và thiết bị điện tử:
   Luận văn cung cấp hướng dẫn thiết kế và chế tạo vật liệu biến hóa đơn giản, tiết kiệm chi phí, phù hợp với điều kiện công nghệ hiện nay.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu biến hóa có chiết suất âm là gì?
   Là vật liệu nhân tạo có đồng thời độ điện thẩm âm (ε < 0) và độ từ thẩm âm (μ < 0) trên cùng một dải tần số, tạo ra các hiện tượng điện từ bất thường như khúc xạ âm và nghịch đảo Doppler.

2. Tại sao cần mở rộng vùng tần số hoạt động của vật liệu biến hóa?
   Vì vùng tần số hoạt động hẹp giới hạn ứng dụng thực tế; mở rộng vùng này giúp vật liệu phù hợp với nhiều thiết bị và công nghệ hơn, tăng tính ứng dụng.

3. Mô hình lai hóa bậc hai có vai trò gì trong nghiên cứu?
   Mô hình này giải thích sự tương tác cộng hưởng giữa các lớp cấu trúc, giúp mở rộng vùng từ thẩm âm và chiết suất âm, cải thiện hiệu suất vật liệu.

4. Cấu trúc cặp đĩa có ưu điểm gì so với cấu trúc CWP?
   Cặp đĩa có tính đối xứng cao, không phụ thuộc phân cực sóng điện từ, dễ chế tạo và đo đạc, phù hợp với tần số cao hơn.

5. Làm thế nào để tính toán các tham số điện từ từ dữ liệu mô phỏng?
   Sử dụng thuật toán của Chen dựa trên các tham số phản xạ (S11) và truyền qua (S21) thu được từ mô phỏng CST, cho phép xác định ε, μ, n một cách chính xác.

Kết luận

• Luận văn đã thiết kế và chế tạo thành công vật liệu biến hóa có độ từ thẩm và chiết suất âm rộng trong vùng sóng radar 12-18 GHz.
• Cấu trúc cặp đĩa và lưới đĩa hai lớp được chứng minh là hiệu quả trong việc mở rộng vùng tần số hoạt động và giảm phụ thuộc phân cực sóng điện từ.
• Mô hình lai hóa bậc hai giải thích cơ chế mở rộng vùng từ thẩm âm và chiết suất âm, đồng thời được xác nhận qua mô phỏng và tính toán mạch LC.
• Các tham số cấu trúc như khoảng cách hai lớp, chiều dày lớp điện môi, độ rộng dây kim loại và bán kính đĩa được tối ưu để đạt hiệu suất cao nhất với độ truyền qua trên 60%.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mô hình lai hóa bậc cao và ứng dụng trong các thiết bị radar, siêu thấu kính và công nghệ tàng hình trong vòng 1-2 năm tới.

Các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích áp dụng cấu trúc và phương pháp nghiên cứu này để phát triển vật liệu biến hóa phù hợp với yêu cầu ứng dụng cụ thể, đồng thời mở rộng nghiên cứu về mô hình lai hóa đa lớp nhằm nâng cao hiệu quả và phạm vi ứng dụng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Giới thiệu sơ lược về tình hình nghiên cứuvật liệu biến hóa có chiết suất âm Vật liệu biến hóa là vật liệu có cấu trúc nhân tạo được hình thành bằng cách sắp xếp và quy luật hóa trật tự các ô cấu trúc. Hình dạng cũng như kích thước của các ô cơ sở đóng vai trò như những “nguyên tử” trong vật liệu truyền thống. Nhưng tính chất của vật liệu biến hóa được quyết định chủ yếu bởi hình dạng, cấu trúc hơn là thành phần vật liệu cấu tạo nên nó.

Hiện nay có rất nhiều hướng nghiên cứu khác nhau về vật liệu biến hóa. Trong đó, một hướng nghiên cứu chính về vật liệu biến hóa được các nhà khoa học quan tâm đó là vật liệu biến hóa (vật liệu biến hóa) có chiết suất âm. Vật liệu biến hóa có chiết suất âm được chế tạo thành công đầu tiên năm 2000 bởi Smith [1], tính chất của nó được tiên đoán về mặt lý thuyết vào năm 1968 bởi Veselago [2]. Vật liệu biến hóa có chiết suất âm là sự kết hợp hoàn hảo của hai thành phần điện và từ tạo nên vật liệu đồng thời có độ từ thẩm âm (μ< 0) và độ điện thẩm âm (ε< 0) trên cùng một dải tần số.

Vật liệu này sở hữu nhiều tính chất bất thường như sự nghịch đảo của định luật Snell, sự nghịch đảo trong dịch chuyển Doppler, sự nghịch đảo của bức xạ Cherenkov, đặc biệt là ba vector của sóng điện từ: E , H , k tuân theo quy tắc tam diện nghịch. Nhờ vào những tính chất đặc biệt kể trên, vật liệu này hứa hẹn rất nhiều ứng dụng mang tính đột phá trong thực tế. Một trong những ứng dụng nổi bật nhất của vật liệu này là siêu thấu kính được đề xuất bởi Pendry vào năm 2000, sau đó đã được Zhang và các cộng sựkiểm chứng bằng thực nghiệm vào năm 2005. Một ứng dụng độc đáo khác nữa là sử dụngvật liệu biến hóa như là“áo choàng” để che chắn sóng điện từ (electromagnetic cloaking), được đề xuất và kiểm chứng bởi Schurig và cộng sự năm 2006 [3].

Bên cạnh đó, một loạt các ứng dụng quan trọng khác của vật liệu biến hóa cũng được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu như hấp thụ sóng điện từ, bộ cộng hưởng cảm biến, chậm dừng ánh sáng, ăngten, bộ lọc tần 4 số. Từ đó đến nay, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu vật liệu biến hóa như đi sâu giải thích các cơ chế vật lý cũng như hoàn thiện và phát triển thêm các ứng dụng. Tuy nhiên, để đưa vật liệu biến hóa có chiết suất âm vào những ứng dụng trong thực tế, còn rất nhiều vấn đề cần được làm rõ và cần nghiên cứu một cách thỏa đáng: tìm kiếm vật liệu có cấu trúc đơn giản để dễ dàng trong việc chế tạo, hay việc tìm kiếm vật liệu đẳng hướng không phụ thuộc vào sự phân cực của sóng điện từ, vật liệu có vùng tần số làm việc rộng, điều chỉnh bằng các tác động ngoại vi, hay tối ưu hóa cấu trúc để giảm độ tổn hao điện từ của vật liệu khi hoạt động cũng đang được quan tâm sâu sắc.Tuy nhiên, để mở rộng dải tần hoạt động của vật liệu biến hóa chiết suất âm người ta thường kết hợp vùng có độ từ thẩm âm rộng với vùng có độ điện thẩm âm rộng trên cùng một dải tần số. Vùng điện thẩm âm rộng dễ dàng đạt được bằng cách sử dụng các lưới dây kim loại liên tục.

Trong khi đó, vùng từ thẩm âm rộng đang là thách thức đối với các nhà khoa học. Chính vì lí do đó, luận văn tập trung đi giải quyết vấn đề này. Đầu tiên, luận văn đưa ra kết quả nghiên cứumở rộng dải từ thẩm âm, sau đó sử dụng kết quả này để mở rộng vùng có chiết suất âm. Kết quả nghiên cứu được nêu ra ở chương III của luận văn.

Phân loại về vật liệu biến hóa Hình 1.Giản đồ biểu diễn mối liên hệ giữa ε và μ 5 Có nhiều cách để phân loại vật liệu biến hóa, một trong các cách mà người ta hay sử dụng nhất là dựa vào giá trị của độ từ thẩm và độ điện thẩm.1 trình bày một giản đồ đơn giản cho phép ta phân loại các vật liệu theo tham số điện từ: độ điện thẩm ε và độ từ thẩm μ. Góc phần tư thứ hai của giản đồ (ε < 0, μ > 0) thể hiện tính chất của môi trường có độ điện thẩm âm, tính chất này xuất hiện trong kim loại dưới tần số plasma. Trong hai trường hợp môi trường chỉ có một trong hai giá trị độ từ thẩm hoặc độ điện thẩm âm, giá trị còn lại dương, sóng điện từ nhanh chóng bị dập tắt khi truyền vào loại vật liệu này. Trường hợp đặc biệt, độ điện thẩm và độ từ thẩm đều có giá trị âm (ε < 0, μ < 0), môi trường được gọi là môi trường chiết suất âm kép như biểu diễn trên góc phần tư thứ ba.

Giống như vật liệu chiết suất dương, sóng điện từ cũng có thể truyền vào vật liệu này và có tổn hao. Tuy nhiên có một điểm khác biệt là hướng truyền sóng và hướng truyền năng lượng ngược chiều nhau trong môi trường có chiết suất âm. Dựa trên giản đồ biểu diễn trên hình 1.1 vật liệu biến hóa có thể được phân ra thành 3 loại chính: - Vật liệu có độ điện thẩm âm (electric vật liệu biến hóa): ε< 0. - Vật liệu có độ từ thẩm âm (magnetic vật liệu biến hóa): μ < 0.

- Vật liệu có chiết suất âm (left-handed vật liệu biến hóa): n< 0. Luận văn tập trung nghiên cứu mở rộng vùng có độ từ thẩm âm (μ < 0) sau đó kết hợp với vùng có độ điện thẩm âm để đạt được mục tiêu chính là mở rộng vùng có chiết suất âm (n < 0). Vật liệu có độ điện thẩm âm Trong tự nhiên, chúng ta có thể thu được độ điện thẩm âm của kim loại ở dưới tần số plasma. Hàm số độ điện thẩm ε của vật liệu kim loại phụ thuộc vào tần số ω của sóng chiếu tới được biểu diễn theo bởi phương trình như sau: 6  p2  ( )  1  (1.1)  (  i ) Với γ là tần số dập tắt, ωp là tần số plasma được xác định bởi công thức: Ne 2  p2  (1.2)  0 me Trong đó, N là mật độ điện tử, e là giá trị điện tích, ε0 là độ điện thẩm của chân không và me là khối lượng của điện tử.

Tần số plasma của các kim loại thường ở vùng khả kiến hoặc tử ngoại. Tuy nhiên, tại các tần số ở vùng hồng ngoại gần và thấp hơn, hàm số điện môi hoàn toàn là ảo do sự tổn hao rất lớn. Ví dụ như vùng sóng vi ba, Pendry đã đề xuất mô hình lưới dây kim loại mỏng như ở hình 1. Mô hình này bao gồm một dãy các dây kim loại mỏng, (a) (b ) Hình 1.

dài vô hạn, được đặt song song và cách đều nhau. Môi trường lưới dây kim loại này có khả năng hạ thấp đáng kể tần số plasma. 7 Tần số plasma hiệu dụng mới tạo bởi lưới dây kim loại mỏng được tính như trong tài liệu tham khảo [4] có dạng: 2 c02  (eff )  2 2 p (1.3) a ln(a / r ) Trong đó, c0 là vận tốc ánh sáng trong chân không, a là khoảng cách giữa các dây, r là bán kính của dây kim loại. Độ điện thẩm hiệu dụng của mô hình lưới dây kim loại được tính như công thức dưới đây:  p2  eff ( )  1  (1.4)  (  i 0 a 2 p2 /  r 2 ) Với σ là độ dẫn của kim loại, góp phần đặc trưng cho tính chất tổn hao trong kim loại.2(b) trường hợp các dây kim loại được nhúng trong môi trường khác không khí với độ điện thẩm là εh, số hạng đầu tiên trong vế phải của phương trình (1.4) sẽ được thay bởi εh.

Vật liệu có độ từ thẩm âm Độ từ thẩm, thường được ký hiệu là μ là một đại lượng vật lý đặc trưng cho tính thấm của từ trường vào một vật liệu, hay nói lên khả năng phản ứng của vật liệu dưới tác dụng của từ trường ngoài. Khái niệm từ thẩm thường mang tính chất kỹ thuật của vật liệu, nói lên quan hệ giữa cảm ứng từ (đại lượng sản sinh ngoại) và từ trường ngoài. Sơ đồ cấu trúc của vòng cộng hưởng có rãnh (Split Ring Resonator – SRR) và các cấu trúc SRR trong dãy tuần hoàn [5]. 8 Hầu hết các vật liệu thông thường trong tự nhiên đều có độ từ thẩm dương, chỉ có một số ít vật liệu tồn tại độ từ thẩm âm.

Bên cạnh đó, tính chất từ của các vật liệu đó thường chỉ tồn tại ở tần số thấp và hầu hết bị dập tắt ở vùng tần số lớn hơn GHz. Mặc dù vậy, hiện tượng từ cũng có thể thu được từ các vật liệu phi từ bằng cách kích thích các dòng điện tròn nhằm tạo ra một moment lưỡng cực. Dựa trên nguyên lý này, vào năm 1999 Pendry đã đề xuất mô hình đầu tiên tạo ra độ từ thẩm âm ở vùng tần số GHz [5] gồm một dãy tuần hoàn của 2 cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh (Split - Ring Resonator – SRR) đơn lồng vào nhau (hình 1. Nguyên lý hoạt động của SRR để tạo ra µ < 0 [8] Hình 1.4 trình bày nguyên lý hoạt động của SRR để tạo ra độ từ thẩm âm.

Khi đặt một từ trường biến thiên hướng theo trục của SRR, vòng cộng hưởng sẽ sinh ra một dòng điện. Đồng thời dòng điện này bản thân nó lại cảm ứng ra một lưỡng cực từ. Dưới tần số cộng hưởng ω0, cường độ của lưỡng cực từ tăng dần theo tần số và cùng pha với trường kích thích. Cấu trúc SRR biểu hiện đặc trưng thuận từ.

Khi tần số tiệm cận ω0, dòng điện sinh ra trong vòng không thể theo kịp trường ngoài và bắt đầu bị trễ. Trên tần số cộng hưởng, lưỡng cực từ càng trễ hơn cho đến khi nó hoàn toàn ngược pha so với trường kích thích. Cấu trúc SRR lúc này mang tính chất nghịch từ. Trường hợp sau được sử dụng để tạo ra độ từ thẩm âm, do tại lân cận tần số cộng hưởng, tính 9 nghịch từ được tăng cường một cách đáng kể đủ để tạo ra được độ từ thẩm nhỏ hơn không (µ < 0).

Lưu ý rằng, kích thước của SRR cũng như độ tuần hoàn của chúng nhỏ hơn rất nhiều lần bước sóng của vùng tần số hoạt động và điều đó cho phép ta miêu tả mô hình này bằng tham số hiệu dụng µeff.