1. Giới thiệu chung về metamaterials

Ý tưởng về sự tồn tại của vật liệu có chiết suất âm được đề xuất vào năm 1968 bởi Veselago, dựa trên sự kết hợp đồng thời của vật liệu có độ từ thẩm âm (µ < 0) và độ điện thẩm âm (ε < 0). Tuy nhiên, sau hơn 30 năm kể từ đề xuất của Veselago, năm 1999 J. B. Pendry đã đưa ra mô hình vật liệu có chiết suất âm đầu tiên dựa trên cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh (split-ring resonator). Sau đó năm 2000, D. R. Smith và cộng sự lần đầu tiên chứng minh bằng thực nghiệm sự tồn tại của vật liệu chiết suất âm (n < 0).

Vật liệu chiết suất âm thường là vật liệu có cấu trúc nhân tạo, được hình thành từ các cấu trúc cơ bản, đóng vai trò như những “nguyên tử” trong vật liệu. Những “nguyên tử” này được sắp xếp với nhau một cách tuần hoàn hoặc không tuần hoàn, gồm hai thành phần chính đó là thành phần điện và thành phần từ. Thành phần điện (electric metamaterial), có vai trò tạo ra độ điện thẩm âm (ε < 0). Thành phần từ (magnetic metamaterial), có vai trò tạo ra độ từ thẩm âm (µ < 0). Các cấu trúc này có thể được thiết kế để tạo ra những tương tác mong muốn với trường ngoài. Dựa trên ý tưởng ban đầu, 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. Một trong những tính chất thú vị nữa của vật liệu có chiết suất âm là 3 vectơ của sóng điện từ  tuân theo quy tắc bàn tay trái (left-handed set). Do vậy, vật liệu có chiết suất âm còn được gọi là vật liệu left-handed metamaterials (LHMs). LHMs có thể được thiết kế và chế tạo để hoạt động trên các dải tần số mong muốn khác nhau, từ vùng vi sóng tới vùng hồng ngoại xa, thậm chí tới gần vùng ánh sáng nhìn thấy.

 2. Phân loại vật liệu metamaterials

Các vật liệu điện môi thông thường có ε > 0 và μ > 0 cho phép sóng điện từ có thể lan truyền được trong vật liệu. Khi một trong hai giá trị từ thẩm hoặc điện thẩm âm và giá trị còn lại dương, sóng điện từ nhanh chóng bị dập tắt và không thể lan truyền trong môi trường. Trong trường hợp cả ε và μ cùng âm nhưng tích của chúng mang giá trị dương, khi đó sóng điện từ vẫn có thể lan truyền bên trong vật liệu. Môi trường này được gọi là vật liệu chiết suất âm (left-handed metamaterial).

Vật liệu metamaterials (MMs) có thể được phân ra thành 3 loại chính:

-  Vật liệu có độ điện thẩm âm (electric metamaterial): ε < 0;

-  Vật liệu có độ từ thẩm âm (magnetic metamaterial): μ < 0;

-  Vật liệu có chiết suất âm (left-handed metamaterial): n < 0.

Chúng ta đang sống trong thời đại của cuộc cách mạng vật liệu mới và năng lượng mới. Ngày nay việc nghiên cứu vật liệu để tìm ra các loại vật liệu tốt hơn, rẻ hơn thay thế cho các vật liệu truyền thống đã và đang trở thành nhu cầu cấp thiết. Nghiên cứu vật liệu mới còn nhằm mục đích chế tạo ra những vật liệu có tính chất khác biệt, tốt hơn nhiều so với vật liệu trong tự nhiên, có tiềm năng ứng dụng lớn. Những năm gần đây (từ năm 2000), vật liệu tàng hình (metamaterials) nổi lên như một lĩnh vực rất tiềm năng trong nghiên cứu vật liệu mới. Metamaterials với định nghĩa là “vật liệu có cấu trúc nhân tạo được sắp xếp tuần hoàn bởi những phần tử cơ bản có cấu trúc nhân tạo” với mục đích đạt được những tính chất điện từ bất thường không tồn tại trong tự nhiên và có những tính chất độc đáo và tiềm năng ứng dụng cực kì to lớn.

Tuy nhiên, để đưa metamaterials vào ứng dụng trong thực tế, có rất nhiều vấn đề cần được giải quyết một cách thỏa đáng như: tìm kiếm vật liệu có cấu trúc đơn giản, cấu trúc không phụ thuộc vào phân cực của sóng điện từ, cấu trúc có dải tần số làm việc rộng, khả năng điều khiển tính chất bằng các tác động ngoại vi (nhiệt, điện, quang)... Đây cũng là những vấn đề mà đề tài sẽ tập trung nghiên cứu. Một số khía cạnh khác như  giảm sự tiêu hao trong vật liệu đã được nghiên cứu trong đề tài 2012-2013 do tác giả làm chủ nhiệm.

- Xây dựng được chương trình tính toán các tham số hiệu dụng ( độ từ thẩm µ, độ điện thẩm ε, chiết suất n, trở kháng z) dựa trên thuật toán đề xuất bởi Chen.

- Tìm kiếm vật liệu metamaterials có cấu trúc đơn giản, đối xứng cao.

- Tìm kiếm cấu trúc và chế tạo vật liệu MMs có vùng tần số làm việc rộng (broad band).

- Điều khiển được tính chất của vật liệu metamaterials bằng tác động ngoại vi

-          Nghiên cứu và xây dựng chương trình tính toán các tham số hiệu dụng ( độ từ thẩm µ, độ điện thẩm ε, chiết suất n, trở kháng z) dựa trên thuật toán đề xuất bởi Chen.

-          Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng và tham số cấu trúc lên tính chất của vật liệu.

-          Thiết kế và mô phỏng sự tương tác của sóng điện từ với vật liệu metamaterials.

-          Tìm kiếm vật liệu metamaterials có cấu trúc đơn giản, đối xứng cao

-          Tìm kiếm cấu trúc và chế tạo vật liệu MMs có vùng tần số làm việc rộng (broadband)

-          Nghiên cứu sự thay đổi tính chất của vật liệu metamaterials bằng tác động ngoại vi

Tải file Nghiên cứu sự tương tác của sóng điện từ với giả vật liệu ( metamaterials) tại đây

- Phương pháp thực nghiệm dựa trên các nghiên cứu lý thuyết,  kết hợp với phương pháp mô phỏng

- Giáo dục, đào tạo: Là một phần luận án tiến sĩ của chủ nhiệm đề tài, đào tạo sinh viên tham gia nghiên cứu khoa học 

- An ninh, quốc phòng:  Có thể sử dựng để ngụy trang trong quân sự

Trường ĐH Khoa học - ĐH Thái Nguyên