Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu điều khiển dải tần số hoạt động của siêu vật liệu trong vùng quang học

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:73

Thêm vào BST

Báo xấu

51
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn tiến hành nghiên cứu điều khiển hiệu quả của mô hình lai hóa đến việc mở rộng vùng từ thẩm âm và chiết suất âm của siêu vật liệu dựa bằng tác động nhiệt. Cụ thể là điều khiển sự mở rộng của vùng từ thẩm âm và chiết suất âm dựa trên mô hình lai hóa sử dụng cấu trúc cặp đĩa hai lớp và lưới đĩa hai lớp bằng tác động nhiệt.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu điều khiển dải tần số hoạt động của siêu vật liệu trong vùng quang học

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI KHOA HỌC BÙI VĂN CHỈNH NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN DẢI TẦN SỐ HOẠT ĐỘNG CỦA SIÊU VẬT LIỆU TRONG VÙNG QUANG HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÁI NGUYÊN - 2019
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI KHOA HỌC BÙI VĂN CHỈNH NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN DẢI TẦN SỐ HOẠT ĐỘNG CỦA SIÊU VẬT LIỆU TRONG VÙNG QUANG HỌC Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8440110 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN THỊ HIỀN THÁI NGUYÊN - 2019
LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới cô giáo TS. Nguyễn Thị Hiền - Khoa Vật lý và Công nghệ - Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên về sự hướng dẫn, chỉ bảo hết sức tận tình của cô trong suốt quá trình em thực hiện luận văn tốt nghiệp này. Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo trong Khoa Vật lý và Công nghệ - Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên - những người thày đã trang bị cho em những kiến thức quý báu trong thời gian em học tập, nghiên cứu tại trường. Để thực hiện đề tài này, em xin cảm ơn sự hỗ trợ kinh phí từ đề tài nafosted “Chế tạo và nghiên cứu siêu vật liệu đa dải tần dựa trên các mô hình tương tác”, mã số: 103.99-2018.35 Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến bạn bè, người thân - những người luôn bên cạnh động viên, giúp đỡ trong thời gian em học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp này. Thái Nguyên, tháng 08 năm 2019 Học viên Bùi Văn Chỉnh i
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i MỤC LỤC .................................................................................................................. ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT................................................................ iv DANH MỤC CÁC HÌNH ...........................................................................................v MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN.....................................................................................1 1.1. Tổng quan về siêu vật liệu. ..................................................................................3 1.2. Tổng quan về siêu vật liệu có chiết suất âm ........................................................5 1.2.1. Vật liệu có độ điện thẩm âm .............................................................................5 1.2.2. Vật liệu có độ từ thẩm âm .................................................................................6 1.2.3. Vật liệu có chiết suất âm ...................................................................................9 1.3. Mô hình lai hóa trong siêu vật liệu ....................................................................10 1.3.1. Mô hình lai hoá bậc một ứng với cấu trúc CWP .............................................10 1.3.2. Mô hình lai hóa bậc hai ứng với cấu trúc CWP hai lớp ..................................12 1.4. Một số kết quả nghiên cứu điều khiển tần số làm việc của siêu vật liệu bằng các tác động ngoại vi. ......................................................................................................14 1.4.1.1. Điều khiển vùng tần số làm việc của siêu vật liệu bằng tác động nhiệt ......14 1.4.1.2. Mô hình mạch điện LC ứng với cấu trúc cặp đĩa cho độ từ thẩm âm ..........15 1.4.1.3. Mô hình mạch điện LC ứng với cấu trúc lưới đĩa cho chiết suất âm ...........16 1.4.1.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên tính chất điện của vật liệu InSb ......................17 1.4.1.5. Điều khiển độ từ thẩm âm sử dụng cấu trúc cặp đĩa (DP) ...........................17 1.4.1.6. Điều khiển chiết suất âm sử dụng cấu trúc lưới đĩa (DN) ...........................19 1.4.2. Điều khiển vùng tần số làm việc của siêu vật liệu bằng tác động điện trường và từ trường ...............................................................................................................21 1.4.2.1. Điều khiển vùng có độ từ thẩm âm bằng điện trường ..................................21 1.4.2.2. Điều khiển vùng có độ từ thẩm âm bằng từ trường .....................................23 1.4.3. Điều khiển tính chất chiết suất âm của vật liệu bằng yếu tố quang học hoặc nguồn sóng điện từ kích thích ...................................................................................26 ii
CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................................29 2.1. Lựa chọn cấu trúc và vật liệu .............................................................................29 2.2. Phương pháp mô phỏng .....................................................................................32 2.3. Phương pháp tính toán .......................................................................................34 2.3.1.Tính toán cho biết hiệu quả hoạt động mô hình lai hóa dựa theo mô hình mạch điện LC ......................................................................................................................34 2.3.1.1. Tính toán dựa theo mô hình mạch điện LC ứng với cấu trúc cặp đĩa hai lớp (DPD) cho vùng từ thẩm âm rộng .............................................................................34 2.3.1.2. Tính toán dựa theo mô hình mạch điện LC ứng với cấu trúc lưới đĩa hai lớp (DNP) cho chiết suất âm rộng ...................................................................................37 2.3.2. Phương pháp tính toán dựa trên thuật toán của Chen .....................................38 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................40 3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên tính chất điện của vật liệu InSb ............................41 3.2. Nghiên cứu điều khiển hiệu quả hiệu quả mở rộng vùng từ thẩm âm dựa trên giản đồ lai hóa bậc hai sử dụng cấu trúc cặp đĩa hai lớp ..........................................43 3.3. Nghiên cứu vật liệu đệm giữa hai lớp cấu trúc cặp đĩa cho hiệu quả điều khiển bằng nhiệt giống với lớp đệm không khí ..................................................................49 3.4. Nghiên cứu điều khiển hiệu quả hiệu quả mở rộng vùng chiết suất âm dựa trên giản đồ lai hóa bậc hai sử dụng cấu trúc lưới đĩa hai lớp..........................................50 3.5. Nghiên cứu điều khiển hiệu quả lai hóa để mở rộng vùng từ thẩm âm sử dụng cấu trúc cặp đĩa hai lớp ở gần vùng khả kiến ............................................................56 KẾT LUẬN ..............................................................................................................58 HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .................................................................59 CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ .....................................................................................60 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................61 iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu Tên đầy đủ Tên tiếng Việt SRR Split - Ring Resonator Vòng cộng hưởng CW Cut - Wire Dây kim loại bị cắt CWP Cut - Wire Pair Cặp dây bị cắt LH Left - Handed Quy tắc bàn tay trái LHMs Left - Handed Vật liệu tuân theo quy tắc bàn tay trái Meta Metamaterial Siêu vật liệu RH Right - Handed Quy tắc bàn tay phải iv
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Giản đồ biểu diễn mối liên hệ giữa ε và μ ..................................................4 Hình 1.2. (a) Cấu trúc lưới dây kim loại mỏng sắp xếp tuần hoàn và (b) độ điện thẩm hiệu dụng của lưới dây bạc theo tần số với r = 5 µm, a = 40 mm và độ dẫn của bạc là σ = 6,3×107 Sm-1. ................................................................6 Hình 1.3. Sơ đồ cấu trúc của vòng cộng hưởng có rãnh (Split Ring Resonator – SRR) và các cấu trúc SRR trong dãy tuần hoàn ....................................................7 Hình 1.4. Nguyên lý hoạt động của SRR để tạo ra µ < 0 .................................................7 Hình 1.5. Dạng tổng quát của độ từ thẩm hiệu dụng cho mô hình SRR với giả thiết là vật liệu không có tổn hao. ............................................................8 Hình 1.6. Giản đồ giải thích phần thực âm của chiết suất. Các mũi tên cho thấy vị trí của độ điện thẩm ε và độ từ thẩm μ trong mặt phẳng phức. ...........9 Hình 1.7. (a) Cấu trúc CWP, (b) giản đồ lai hóa, (c) phổ truyền qua của cấu trúc một CW và một cặp CW ( CWP) .............................................................................11 Hình 1.8. a) Ô cơ sở của cấu trúc CWP hai lớp b) mặt cắt của cấu trúc CWP hai lớp và c) mô hình lai hóa bậc hai đề xuất với cấu trúc này ..................12 Hình 1.9. Phổ truyền qua ..........................................................................................13 Hình 1.10. Ô cơ sở của siêu vật liệu có cấu trúc a) dạng cặp đĩa b) lưới đĩa. R là bán kính của đĩa, w là độ rộng của dây liên tục. Chiều dày của lớp điện môi là ts và chiều dày của lớp InSb là tm . ......................................14 Hình 1.11. Mô hình mạch điện LC cho cấu trúc cặp đĩa . ........................................15 Hình 1.12. Mô hình mạch điện LC cho cấu trúc lưới đĩa . .......................................16 Hình 1.13.a) Phổ truyền qua tại nhiệt độ từ 300 K đến 350 K và b) phổ truyền qua theo nhiệt độ tổng quát hóa (theo nhiều giá trị nhiệt độ) ...............18 Hình 1.14: a) Độ từ thẩm tại nhiệt độ 300 K đến 350 K và b) độ từ thẩm theo nhiệt độ tổng quát hóa . ..........................................................................18 Hình 1.15.a) Phổ truyền qua và b) chiết suất của cấu trúc dạng lưới đĩa InSb theo nhiệt độ c) tính toán vùng có chiết suất âm khi nhiệt độ tăng . .....20 v
Hình 1.16. Mô hình sử dụng cấu trúc SRR để điều khiển độ từ thẩm âm được nhúng trong tinh thể lỏng ......................................................................21 Hình 1.17. a) Phổ truyền qua khi điện trường ngoài thay đổi và b)tần số cộng hưởng từ phụ thuộc cường độ điện trường ngoài. .................................22 Hình 1.18. Kết quả tính toán độ từ thẩm hiệu dụng ứng với điện trường ngoài khác nhau ...............................................................................................23 Hình 1.19. Mô hình điều khiển độ từ thẩm âm của siêu vật liệu cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh và thanh sắt từ. ......................................................24 Hình 1.20. Giá trị của độ từ thẩm phụ thuộc từ trường trên cơ sở tính toán cho thanh sắt từ tại 3 vùng từ trường . ..........................................................25 Hình 1.21. Kết quả mô phỏng độ từ thẩm (đường liền nét) so sánh với kết quả tính toán theo công thức (2) (đường nét đứt) với các giá trị của từ trường ngoài 0, 2000 và 4000 Oe . ........................................................26 Hình 1.22. a) Mô hình cấu trúc vòng cộng hưởng tích hợp vật liệu quang phi tuyến và sơ đồ tính toán mạch tương đương trong nghiên cứu của Chen và cộng sự . b) Sự biến đổi chiết suất của siêu vật liệu dưới cường độ sáng kích thích khác nhau tại các tần số khác nhau (bước sóng khác nhau). ....................................................................................27 Hình 1.23. Mô hình siêu vật liệu được điều khiển bằng chuỗi các đèn LED . ........28 Hình 2.1. Sơ đồ quá trình nghiên cứu......................................................................29 Hình 2.2. Ô cơ sở cấu trúc. .......................................................................................30 Hình 2.3. Giao diện mô phỏng CST khi mô phỏng cấu trúc lưới đĩa hai lớp ..........33 Hình 3.1. Tần số plasma và nồng độ hạt tải phụ thuộc vào nhiệt độ. ......................42 Hình 3.2. Mô phỏng sự phụ thuộc (a) phổ truyền qua của DPD và (b) phần thực của độ từ thẩm vào nhiệt độ. ..................................................................43 Hình 3.3. Phân bố năng lượng từ tại các tần số cộng hưởng theo nhiệt độ ..............45 Hình 3.4. Phân bố năng lượng điện tại các tần số cộng hưởng theo nhiệt độ ..........46 Hình 3.5. Sự phụ thuộc của (a) Phổ truyền qua mô phỏng và (b) độ từ thẩm vào khoảng cách hai lớp d khi cố định chiều dày lớp điện môi td = 10µm. .......48 vi
Hình 3.6. Sự phụ thuộc của (a) Phổ truyền qua mô phỏng và (b) độ từ thẩm vào chiều dày lớp điện môi td khi cố định d = 5µm. ....................................48 Hình 3.7. Mô phỏng phổ truyền qua của cấu trúc DPD vào lớp đệm giữa hai lớp cấu trúc (a) TPX, (b) Quart và (c) Saphia........................................50 Hình 3.8. Mô phỏng sự phụ thuộc của (a) Phổ truyền qua và chiết suất, (b) Phần thực của độ từ thẩm và điện thẩm của cấu trúc DND vào nhiệt độ và (c) Tính toán vùng có chiết âm kép theo sự tăng của nhiệt độ. ...52 Hình 3.9. Mô phỏng sự phụ thuộc (a) phổ truyền qua và chiết suất (b) phần thực của độ từ thẩm, điện thẩm của DND vào chiều dày lớp Polymethylpentene và (c) tính toán vùng có chiết suất âm kép tăng theo sự giảm của chiều dày lớp Polymethylpentene. .............................54 Hình 3.10. Mô phỏng sự phụ thuộc (a) phổ truyền qua và chiết suất (b) phần thực của độ từ thẩm, điện thẩm của DND vào chiều dày lớp điện môi Pyrex glass và (c) tính toán vùng có chiết suất âm kép tăng theo sự tăng của độ dày lớp Pyrex. ........................................................55 Hình 3.11. Mô phỏng sự phụ thuộc của phổ truyền qua vào (a) khoảng cách hai lớp d và (b) chiều dày lớp điện môi ở quanh vùng tần số 140 THz. .....57 vii
MỞ ĐẦU Hiện nay để đạt được kết quả cao về công nghệ và ứng dụng thì ngoài nền kĩ thuật sẵn có, vấn đề quan trọng là tìm ra các loại vật liệu có tính năng mới. Một trong số các vật liệu được nghiên cứu và chế tạo mà chúng ta phải nói đến đó là siêu vật liệu. Siêu vật liệu là vật liệu nhân tạo, loại siêu vật liệu được nghiên cứu đầu tiên và nhiều nhất là vật liệu có chiết suất âm (negative refraction). Dựa trên ý tưởng ban đầu của Veselago, vật liệu 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 và độ điện thẩm âm (μ< 0, ε< 0) trên cùng một dải tần số. Từ đó dẫn đến những tính chất điện từ và quang học bất thường, trong đó có sự nghịch đảo của định luật Snell, sự nghịch đảo trong dịch chuyển Doppler, hay sự nghịch đảo của phát xạ Cherenkov. Nhờ vào các tính chất kỳ diệu này, siêu vật liệu có chiết suất âm hứa hẹn rất nhiều tiềm năng ứng dụng như: siêu thấu kính, antenna, một trong những thành phần chế tạo “áo khoác tàng hình”, cảm biến, chậm hay dừng ánh sáng…Tuy nhiên, trước khi đưa vật liệu này vào ứng dụng rộng rãi, vẫn còn tồn đọng khá nhiều vấn đề cần được giải quyết một cách thỏa đáng. Như bằng cách nào để chế tạo một cách đơn giản, dễ dàng và có tính đối xứng cao, giảm sự tiêu hao, mở rộng vùng tần số hoạt động của vật liệu hay tìm kiếm các ứng dụng mới… Đối với vấn đề mở rộng vùng tần số hoạt động, phương pháp thông thường là tích hợp nhiều cấu trúc đơn lẻ vào một ô cơ sở hay sử dụng phương pháp tối ưu hóa theo công thức của Gielis. Tuy nhiên các phương pháp này đều hạn chế ở cấu trúc phức tạp, hay đòi hỏi điều chỉnh các tham số một cách khá khắt khe hay mất tính đối xứng nên khó khăn trong việc chế tạo đặc biệt là vùng tần số cao…Gần đây phương pháp lai hóa plasmon được sử dụng rất hiệu quả để mở rộng vùng tần số hoạt động của siêu vật liệu. Tuy nhiên hầu hết các công trình mới chỉ nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc hay tổn hao lên hiệu quả mở rộng vùng tần số hoạt động dựa trên lai hóa chứ chưa có công trình nào nghiên cứu ảnh hưởng của tác động ngoại vi đến điều này. Tác động ngoại vi như nhiệt, điện, quang… bao gồm cả tác động mong muốn (tác động vào có chủ đích để thay đổi tính chất của vật liệu) hay tác động không mong muốn (tác động của yếu tố môi 1
trường). Vì vậy, việc luận văn chọn hướng nghiên cứu điều khiển tính chất vật liệu bằng các tác động ngoại vi là vấn đề cấp thiết có ý nghĩa kể cả về mặt khoa học và thực tiễn. Với lý do đó: Mục đích nghiên cứu của lận văn: Nghiên cứu điều khiển hiệu quả của mô hình lai hóa đến việc mở rộng vùng từ thẩm âm và chiết suất âm của siêu vật liệu dựa bằng tác động nhiệt. Cụ thể là điều khiển sự mở rộng của vùng từ thẩm âm và chiết suất âm dựa trên mô hình lai hóa sử dụng cấu trúc cặp đĩa hai lớp và lưới đĩa hai lớp bằng tác động nhiệt. Phạm vi nghiên cứu: Siêu vật liệu có từ thẩm âm có cấu trúc cặp đĩa hai lớp và siêu vật liệu có chiết suất âm có cấu trúc lưới đĩa hai lớp ở vùng hồng ngoại Phƣơng pháp nghiên cứu: Kết hợp giữa mô phỏng và tính toán. Mô phỏng sử dụng chương trình phần mềm CST và tính toán dựa trên thuật toán truy hồi của Chen và mô hình mạch điện LC. Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu điều khiển hiệu quả của mô hình lai hóa đến việc mở rộng vùng từ thẩm âm và chiết suất âm của siêu vật liệu dựa bằng tác động nhiệt. Nội dung luận văn gồm 3 chương: Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Phƣơng pháp nghiên cứu Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận 2
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về siêu vật liệu Siêu vật liệu 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 siêu vật liệu 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 siêu vật liệu.Trong đó, một hướng nghiên cứu chính về siêu vật liệu được các nhà khoa học quan tâm đó là siêu vật liệu (siêu vật liệu) có chiết suất âm. Siêu vật liệu 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]. Siêu vật liệu 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 dụng siêu vật liệu 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 siêu vật liệu 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 số... Từ đó đến nay, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu siêu vật liệu như đi sâu giải thích các cơ chế vật lý cũng như hoàn thiện và phát triển thêm các ứng dụng. 3
Hình 1.1. Giản đồ biểu diễn mối liên hệ giữa ε và μ Có nhiều cách để phân loại siêu vật liệu, một trong các cách mà người ta hay sử dụng nhất là dựa vào giá trị của độ từ thẩm và độ điện thẩm. Hình 1.1 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. Góc phần tư thứ tư (ε > 0, μ < 0) thể hiện tính chất của môi trường có độ từ thẩm âm, tính chất này tồn tại trong một số loại vật liệu từ tại tần số thấp (cỡ MHz).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 siêu vật liệu có thể được phân ra thành 3 loại chính: - Vật liệu có độ điện thẩm âm (electric siêu vật liệu): ε < 0. 4
- Vật liệu có độ từ thẩm âm (magnetic siêu vật liệu): μ < 0. - Vật liệu có chiết suất âm (left-handed siêu vật liệu): n < 0. 1.2. Tổng quan về siêu vật liệu có chiết suất âm 1.2.1. 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:  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  2  (1.2) p  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 1.2(a). Mô hình này bao gồm một dãy các dây kim loại mỏng, 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. 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: 5
 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. (a) (b ) Hình 1.2. (a) Cấu trúc lưới dây kim loại mỏng sắp xếp tuần hoàn và (b) độ điện thẩm hiệu dụng của lưới dây bạc theo tần số với r = 5 µm, a = 40 mm và độ dẫn của bạc là σ = 6,3×107 Sm-1[4]. Hình 1.2(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. 1.2.2. 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. 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 6
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. Hình 1.3. Sơ đồ cấu trúc của vòng cộng hưởng có rãnh (Split Ring Resonator – SRR) và các cấu trúc SRR trong dãy tuần hoàn [5]. 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 1.3). Hình 1.4. Nguyên lý hoạt động của SRR để tạo ra µ < 0 [6] 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 7
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 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. Độ từ thẩm hiệu dụng của mô hình SRR được tính như sau: F eff  1  2 i 3 (1.5) 1  0  0 2Cr 3 2  r2 F 2 (1.6) a 0 1 C  2 (1.7) d dc0 0 do đó Hình 1.5. Dạng tổng quát của độ từ thẩm hiệu dụng cho mô hình SRR với giả thiết là vật liệu không có tổn hao [6]. Ngoài ra, cấu trúc này cũng có thể được sử dụng để tạo ra độ điện thẩm âm. Khi điện trường ngoài đặt vào song song với cạnh chứa rãnh, dòng điện được cảm ứng trên mạch.Tại tần số cộng hưởng, ta sẽ thu được ε < 0. Điểm khác biệt cơ bản giữa các yếu tố cộng hưởng này với mô hình lưới dây kim loại được đề xuất ở trên 8
nằm ở độ rộng của vùng điện thẩm âm. Do bản chất cộng hưởng, các cấu trúc cộng hưởng chỉ có thể tạo ra được ε < 0 trong một dải tần số rất hẹp. Trong một số trường hợp, điều này sẽ gây khó khăn trong việc tạo ra n < 0, bởi yêu cầu vùng ε < 0 và µ < 0 phải trùng lên nhau. 1.2.3. Vật liệu có chiết suất âm Ta có thể thấy rằng, chiết suất của một môi trường được tính theo công thức n   . Nếu chỉ dựa vào công thức này, giá trị của chiết suất dường như vẫn là dương khi ε < 0 và μ < 0. Mặc dù vậy, ta phải rất thận trọng trong việc xác định dấu khi thực hiện căn bậc hai. Để xác định chính xác dấu của n, ta cần phải dựa vào ý nghĩa vật lý của vật liệu. Các vật liệu thường thể hiện tính chất thụ động, có nghĩa là sóng điện từ truyền trong vật liệu có xu hướng tắt dần theo hàm mũ nên các đại lượng ε, μ và n đều được biểu diễn bởi các hàm phức. Hình 1.6. Giản đồ giải thích phần thực âm của chiết suất. Các mũi tên cho thấy vị trí của độ điện thẩm ε và độ từ thẩm μ trong mặt phẳng phức. Như quan sát trên giản đồ tạo ra chiết suất âm trong hình 1.6, các giá trị ε, μ và n đều nằm trong góc phần tư thứ hai của giản đồ. Hay nói cách khác, phần thực của chiết suất thực sự âm (chiết suất âm kép) khi độ từ thẩm và điện thẩm đồng thời có giá trị âm. Để xác định điều kiện tổng quát để đạt được vật liệu chiết suất âm thì chúng ta phải biểu diễn các giá trị độ điện thẩm, độ từ thẩm và chiết suất dưới dạng phức: 9
   ' i ''   '2   ''2 eiE (1.8)    ' i ''   '2   ''2 ei M (1.9) n  n ' in ''  n '2  n ''2 ein  n '2  n ''2 ei (M E )/2 (1.10) Ở đây, M , E là pha của từ trường và điện trường tương ứng, chúng thỏa mãn điều kiện 0  M , E   để tổn hao là dương. Do đó: n    ( ' i '')( ' i '')  e(in /2) 4 ( '  '  ''  '') 2  (  '  ''  ''  ') 2 (1.11) Hoặc có thể viết biểu thức của chiết suất dưới dạng khác: n  r (cosn  i sin n ) (1.12) Với : r  ( '  '  ''  '')2  ( '  ''  ''  ')2 (1.13) Từ đó, ta có điều kiện tổng quát để đạt được chiết suất âm trong môi trường     đó là: cos  n  k   0 và sin  n  k   0 (k  Z ) . Hay nói cách khác : 2  2   '  ''  ''  '  0 (1.14) Công thức (1.14) cho thấy, chúng ta có thể phân chia vùng tần số có chiết suất âm thành hai vùng: chiết suất âm đơn và chiết suất âm kép. Trong vùng chiết suất âm kép, cả hai giá trị phần thực  ' và  ' đều có giá trị âm còn các giá trị phần ảo (  '',  '' ) luôn là dương. Vùng chiết suất âm đơn đạt được khi chỉ có một trong hai giá trị âm của  ' hoặc  ' các giá trị phần ảo (  '',  '' ) trong trường hợp này cần có giá trị dương rất lớn để thỏa mãn điều kiện (1.14). Tuy nhiên, trong vùng chiết suất âm đơn, chiết suất âm có thể đạt được nhưng các giá trị lớn của  '' và  '' dẫn tới một tổn hao đáng kể. Do đó, các vật liệu chiết suất âm đơn là không khả thi trong các ứng dụng liên quan đến sự truyền qua. 1.3. Mô hình lai hóa trong siêu vật liệu 1.3.1. Mô hình lai hoá bậc một ứng với cấu trúc CWP Cấu trúc CWP được biến đổi từ cấu trúc SRR nên nó có vai trò như một “nguyên tử meta từ” (magnetic meta-atom) dùng để tạo ra độ từ thẩm âm. Mặc dù 10
vậy, bên cạnh cộng hưởng từ, các cấu trúc CWP cũng thể hiện một cộng hưởng điện nằm ở tần số khác [7-8]. Trên quan điểm mô hình lai hóa, hai cộng hưởng trên là kết quả của sự lai hóa giữa hai cấu trúc cộng hưởng trên hai thanh CW đơn lẻ và được đưa ra trên hình 1.7. Trong trường hợp này, cấu trúc CWP bao gồm hai thanh CW kim loại cách nhau bởi một lớp điện môi. Mỗi thanh CW có một mode cộng hưởng plasmon với tần số riêng |ω1 > và |ω2 >, chúng bằng nhau trong trường hợp hai thanh hoàn toàn giống nhau về tham số hình học và điều kiện phân cực của sóng điện từ chiếu đến. Trong một hệ CWP gồm hai thanh kim loại ở khoảng cách gần, sự tương tác plasmon giữa hai thanh sẽ mạnh hơn dẫn tới sự suy biến của các mode cộng hưởng riêng và tách thành 2 mode cộng hưởng plasmon mới. (a) ( b) (c) Hình 1.7. (a) Cấu trúc CWP, (b) giản đồ lai hóa, (c) phổ truyền qua của cấu trúc một CW và một cặp CW ( CWP) [9] Mode ứng với sự phân bố trường đối xứng trong không gian gọi là mode đối xứng, có một tần số riêng |ω+>. Ngược lại, mode bất đối xứng ứng với sự phân bố bất đối xứng của trường có tần số riêng |ω->. Mode bất đối xứng |ω-> được cảm ứng bởi lực hút sinh ra do các dao động ngược pha của các điện tích nên nó sẽ nằm ở mức năng lượng thấp hơn, còn các mode đối xứng |ω+> ứng với lực đẩy do các dao động cùng pha và nó sẽ nằm ở mức năng lượng cao hơn. Sự tách tần số riêng trong hệ của hai thanh kim loại có thể quan sát trong phổ truyền qua của một đơn lớp CWP nơi có hai cực tiểu tương ứng với sự kích thích của mode đối xứng |ω+> và mode bất đối xứng |ω-> (Quan sát hình 1.7(c) có hai đỉnh ứng với đường màu 11