MỞ ĐẦU Gần đây, vật liệu biến hóa (MM) với các ô đơn vị tuần hoàn với kích thƣớc nhỏ hơn nhiều lần bƣớc sóng chiếu tới đã trở thành một lĩnh vực cực kỳ hấp dẫn trong ngành khoa học vật liệu tiên tiến. Vật liệu nhân tạo này thể hiện nhiều đặc tính và hiệu ứng không tồn tại trong vật liệu tự nhiên, chẳng hạn nhƣ chiết suất âm [1, 2], slow light [3, 4], siêu thấu kính [5, 6], áo choàng tàng hình [7, 8] và nhiều hơn nữa. Do các đặc tính đặc biệt của chúng, MMs đã đƣợc hứa hẹn cho nhiều ứng dụng thực tế nhƣ chuyển mạch quang [9], bộ lọc [10], cảm biến [11-13], thu năng lƣợng [14, 15], truyền năng lƣợng không dây [16, 17] và đặc biệt là khả năng hấp thụ tuyệt đối [18, 19]. Trong số các ứng dụng đáng đƣợc mong đợi này, thế hệ mới của cấu trúc hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ (PA) đã đƣợc Landy và các cộng sự đƣa ra bằng thực nghiệm [20] và đã mở ra một con đƣờng mới nhằm đồng bộ các vật liệu tiên tiến với các thiết bị điện tử.
Thêm vào đó, hiện tƣợng chuyển đổi phân cực, dựa trên MM, là một đặc điểm lợi thế khác có thể đƣợc khai thác cho các ứng dụng xa hơn trong tƣơng lai [21, 22]. Hiệu ứng phân cực có thể đƣợc coi là một trong những tính chất cơ bản của sóng điện từ (EM), có nhiều ứng dụng quan trọng trong truyền tín hiệu và đo độ nhạy. Chúng cũng đƣợc sử dụng cho các mục đích khác nhau, chẳng hạn nhƣ radar phân cực kép, đo lƣờng phân cực, vận chuyển sợi quang và truyền thông MIMO (đa đầu vào/đa đầu ra) [23, 24]. Trong số đó, cấu trúc MM chiral sở hữu optical activity có thể xoay mặt phẳng phân cực của sóng điện từ truyền qua.
Bên cạnh đó, cấu trúc MM đƣợc thiết kế với mục đích chọn lọc phân cực cho thấy một khả năng có thể phản xạ hoặc truyền hoàn hảo sóng điện từ đến, tùy thuộc vào trạng thái phân cực của nó. Trong khi đó, sự chuyển đổi phân cực gần nhƣ hoàn toàn có thể đạt đƣợc với các MM bất đẳng hƣớng do sự lệch pha của sóng phản xạ trong hai phân cực trực giao. Cho đến nay, các bộ chuyển đổi phân cực (PC) và PA khác nhau dựa trên MM đã đƣợc đề xuất mạnh mẽ để có thể đạt đƣợc đơn/đa đỉnh và băng tần rộng [25-28]. Tuy nhiên, các thiết bị dựa trên MM này bị giới hạn ở một chế độ hoạt động duy nhất chỉ cho phép hấp thụ hoặc chuyển đổi phân cực, chứ không phải 7 cả hai.
Với động lực đó, mục tiêu chính của luận văn này là xây dựng chức năng chuyển đổi linh hoạt giữa hai trạng thái PA và PC, có thể dựa trên các cấu trúc MM lai hóa, đƣợc điều khiển bằng các tác động ngoại vi hoặc đƣợc tích hợp với các linh kiện điện tử ngoại vi. Do đó, mục tiêu nghiên cứu của luận văn hƣớng đến việc nghiên cứu nâng cao cũng nhƣ tối ƣu hiệu suất chuyển đổi trạng thái phân cực sóng điện từ và tìm ra loại cấu trúc có thể đáp ứng đƣợc khả năng chuyển đổi một cách linh động giữa hai mode hoạt động PA và PC, nhằm góp phần mở rộng phạm vi ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là trong các lĩnh vực thông tin, quân sự. Cụ thể, luận văn cần đạt đƣợc hai kết quả sau: - Nghiên cứu kỹ thuật và mô hình nâng cao hiệu suất chuyển đổi trạng thái phân cực sóng điện từ trong vật liệu biến hóa; Tối ƣu hiệu suất chuyển đổi trạng thái phân cực sóng điện từ về biên độ và dải tần số hoạt động. - Nghiên cứu cấu trúc vật liệu biến hoá có khả năng chuyển đổi chủ động giữa chế độ hấp thụ tuyệt đối và chế độ chuyển đổi phân cực sóng điện từ, thông qua các tác động ngoại vi hoặc tích hợp với các linh kiện điện tử ngoại vi.
Nội dung luận văn bao gồm 4 phần: Chƣơng 1. TỔNG QUAN Trình bày lý thuyết cơ bản về vật liệu biến hóa nói chung và vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ, vật liệu biến hóa chuyển đổi phân cực sóng điện từ nói riêng. Các ứng dụng và đề xuất tính thực tiễn của mô hình chuyển đổi giữa 2 chế độ PA và PC Chƣơng 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Giới thiệu các phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc sử dụng trong luận văn bao gồm phƣơng pháp tính toán, mô phỏng và thực nghiệm.
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trình bày các kết quả đã đạt đƣợc trong quá trình nghiên cứu. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Đƣa ra kết luận và kiến nghị về hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA 1. Lịch sử hình thành Vật liệu biến hóa (Metamaterial - MM) là 1 khái niệm đƣợc Veselago lần đầu tiên đề xuất vào năm 1968 nói về sự tồn tại của một vật liệu chiết suất âm dựa trên việc vật liệu đó sở hữu đồng thời cả hai yếu tố đó là độ từ thẩm âm và độ điện thẩm âm [29].
Nếu đề xuất này đƣợc chứng minh, qua đó bức tranh tổng quát về các giá trị của chiết suất trong mọi môi trƣờng có thể xem là hoàn thiện. Theo tiếng Hy Lạp thì “meta” có nghĩa là chỉ một sự “vƣợt trội ra ngoài”, ngầm ám chỉ tới một vật liệu mà sở hữu những đặc tính không thể tìm thấy ở các vật liệu trong tự nhiên. Và đúng là thực tế, những lý thuyết mà Veselago đề cập đến về loại vật liệu này nhận đƣợc rất nhiều sự hoài nghi trong một thời gian dài cho đến gần 30 năm sau, vào năm 1996 khi mà Pendry và các đồng sự của ông đƣa ra mô hình lƣới dây kim loại nhằm giảm tần số Plasma về cỡ GHz thì những nhận định và đề xuất trƣớc đây của Veselago mới lại một lần nữa nhận lại sự quan tâm của giới nghiên cứu [30]. Tiếp tục với thành công vào năm 1996, tới năm 1999 nhóm của Pendry đã thành công trong việc nghiên cứu sự hoạt động mô hình vòng cộng hƣởng có rãnh (SRR) (Hình 1.2), qua đó chứng minh mô hình vật liệu nhân tạo có thể đạt đƣợc giá trị độ từ thẩm âm [30].
Và vào năm 2000, bằng vào sự kết hợp giữa hai mô hình lƣới dây và vòng cộng hƣởng có rãnh thì Smith và các đồng sự của ông đã chế tạo thành công vật liệu biến hóa chiết suất âm (n<0), mở ra một ngành nghiên cứu mới về vật liệu biến hóa với rất nhiều các tính chất kỳ diệu còn đang đƣợc khai thác nhiều cho đến ngày nay [1]. Cũng vào năm 2000, Pendry cũng đồng thời chứng minh có thể sử dụng vật liệu chiết suất âm để chế tạo siêu thấu kính [5]. Khác với thấu kính thông thƣờng, siêu thấu kính có hình dạng bề mặt phẳng và nhờ vào đặc tính chiết suất âm mà nó sẽ hoạt động nhƣ là một thấu kính hội tụ và điều này đã đƣợc nhóm nghiên cứu của Zhang kiểm chứng vào năm 2005 [6]. Vào năm 2006, vẫn là Pendry với những công bố đầy tính bất ngờ cho rằng có thể chế tạo 9 1 lớp vỏ tàng hình cho vật liệu trƣớc sóng điện từ ở vùng tần số GHz bằng cách sử dụng MM.
Trong trƣờng hợp này, chiết suất của lớp vật liệu biến hóa sẽ đƣợc thay đổi thông qua hiệu chỉnh tham số cấu trúc cộng hƣởng để bẻ cong đƣờng đi của sóng điện từ khi tƣơng tác với vật thể, không gây ra sự phản xạ và có thể xem là tàng hình trƣớc các thiết bị ghi nhận và phát hiện sóng phản xạ. Nối tiếp thành công này, một loạt các nghiên cứu về các ứng dụng thú vị của vật liệu biến hóa liên tục đƣợc công bố sau đó và đáng kể nhất phải kể tới công trình của N. Landy vào năm 2008 với đề xuất mô hình vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ (metamaterial perfect absorber – MPA) [20]. Lĩnh vực này đã đƣợc phát triển rất nhanh chóng sau đó cả về lý thuyết và thực nghiệm, MPA thể hiện đặc tính ƣu việt của chúng khi mà kích thƣớc độ dày vật lý của loại vật liệu này nhỏ hơn rất nhiều (λ/30 cho tới nhỏ hơn hàng nghìn lần) so với bƣớc sóng hoạt động,đây là vƣợt trội hơn rất nhiều so với các vật liệu truyền thống vốn có độ dày lớn hơn nhiều (cỡ λ/4), ở thí nghiệm của Landy ở kích cỡ ô cơ sở vào khoảng λ/30 đã thu đƣợc độ hấp thụ cỡ 96% trong mô phỏng và 88% trong thực nghiệm tại vùng tần số 11,48 GHz và 11,5 GHz tƣơng ứng.
Với các đặc tính vƣợt trội này, MPA cho thấy những tiềm năng ứng dụng to lớn và đã đƣợc quan tâm nghiên cứu rộng rãi cho các ứng dụng thực tế ở vùng tần MHz cho tới vùng quang học [11, 31-37]. Không chỉ dừng lại đấy, MM đã tiếp tục phát triển rộng khắp. Đến nay, có thể kể đến các hƣớng nghiên cứu nhƣ vật liệu biến hoá hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ, vật liệu biến hoá chuyển đổi đặc tính phân cực sóng điện từ, v. Khái niệm Trong điện từ học, độ điện thẩm ε và độ từ thẩm µ là hai thông số đặc trƣng mô tả ảnh hƣởng của trƣờng điện từ tác động lên vật chất.1 là một giản đồ phân loại vật liệu dựa trên hai thông số cơ bản là độ điện thẩm và độ từ thẩm của chúng.1 Giản đồ biểu diễn mối liên hệ giữa ε và μ [38-40] Ở góc phần tƣ thứ nhất là các vật liệu có đồng thời cả hai giá trị độ điện thẩm và độ từ thẩm dƣơng, tƣơng ứng với hầu hết các vật liệu điện môi.
Ở góc phần tƣ thứ hai là các kim loại, vật liệu sắt điện hoặc các bán dẫn pha tạp có độ điện thẩm âm ở các tần số dƣới tần số plasma. Vùng góc phần tƣ thứ tƣ là các vật liệu có độ từ thẩm âm, thƣờng là các vật liệu từ ở vùng tần số thấp (cỡ MHz) và ở góc phần tƣ thứ ba là vùng của các vật liệu có đồng thời hai giá trị từ thẩm và điện thẩm cùng âm, một loại vật liệu chƣa từng tìm thấy trong tự nhiên. Để hiểu rõ hơn về cơ chế lan truyền của sóng điện từ trong vật liệu biến hóa, chúng ta sẽ xuất phát từ hệ phƣơng trình Maxwell đã đƣợc rút gọn trong môi trƣờng điện tử tự do (môi trƣờng mà mật độ điện tích và mật độ dòng điện đều bằng không): (1. 4) Với D = εE và B = µH là độ cảm ứng điện và độ cảm ứng từ.
Biểu diễn từ trƣờng và điện trƣờng dƣới dạng sóng phẳng: (1.