btl lý 2 đại học bk

II.Chiết suất âm -Trong nghiên cứu khoa học ở các ngành nghiên cứu về sóng điện từ , viễn thông , thiênvăn học , đòi hỏi sự chế tạo các thấu kính đạt tới mức hoàn hảo và gia tăng hiệu su

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA-ĐHQG TPHCM

NĂM HỌC: 2017-2018

STT Họ và tên MSSV Ký tên

I.Tổng quan và lịch sử phát triển………1

1 Chiết suất âm………1

2.Vật liệu tàng hình……… 2

II.Chiết suất âm……….2

1.Nghiên cứu của Veselago……….3

2.Các phát hiện mới……… 5

3.Ứng dụng ……… 7

4.Sự phát tiển và nghiên cứu ở Việt Nam……….7

III.Vật liệu tàng hình………7

1.Nghiên cứu các thiết bị tàng hình……….8

a.Các đặc tính quang học và ánh sáng………8

b.Vật liệu tàng hình và các hạn chế……….9

2.Các công nghệ mới và giải pháp đang được phát triển……….9

3.Ứng dụng……… 13

4.Cuộc chạy đua về công nghệ tàng hình……… 13

5.Các tin tức khác……….14

I.Tổng quan và lịch sử phát triển

1.Chiết suất âm : Bất cứ ai sau khi học các giáo trình căn bản về quang học đều biết đếnhiện tượng khúc xạ ánh sáng, là hiện tượng ánh sáng bị gãy khúc khi đi qua mặt phâncách giữa hai môi trường trong suốt có tính chất quang học khác nhau Và hiện tượngbình thường được gọi là chiết suất dương được biết thông thường là một tia sáng đi trongkhông khí khi chiếu tới một khối thủy tinh dưới một góc nhất định sẽ bị bẻ cong về phíapháp tuyến

Nhưng vào năm 1968, nhà vật lý người Nga Victor Veselago đã chỉ ra rằng nếu cả độ từthẩm và hằng số điện môi của vật liệu đều mang giá trị âm thì hiện tượng khúc xạ sẽ thayđổi, lúc này sẽ xuất hiện hiệu ứng "chiết suất âm" (negative refraction), ở đó, tia khúc

xạ sẽ không đi giống như tia khúc xạ trong hiện tượng khúc xạ thường, mà bị bẻ cong vềphía khác của pháp tuyến (xem hình 1)

(hình 1)

Các nghiên cứu mới cho thấy chiết suất âm có thể tồn tại Hiện tượng này hiếm gặp, mớithấy ở các vật liệu meta, cho thấy khả năng chế tạo các thấu kính hoàn hảo hoặc các hiệntượng hiếm như nghịch đảo định luật Snell

I.Vật liệu tàng hình: Từ xa xưa , con người đã có khao khát tạo ra những loại trang phục

, dược chất có khả năng giúp cho con người tàng hình Trước kia , con người thường tìmđến sự ẩn thân bằng cách hòa trộn bản than ngụy trang vào môi trường xung quanh Ngày nay , khi khoa học phát tiển , các nhà khoa học cho rằng có thể đạt tới sự tàng hìnhbằng cách , kiểm soát các bức xạ qua vật thể như một dạng áo khóa tàng hình Rất nhiềucác mẫu thử , đó là các lớp sắp xếp trình trự của các thấu kính với mục tiêu bẻ congđường đi của các bức xạ điện từ ( mà ở đây là ánh sáng) ra khỏi vật thể Các cấu trúcnhân tạo cho các ứng dụng kỹ thuật che giấu là một lưới thiết kế - một cách tuần tự lặp đilặp lại mạng - các yếu tố giống hệt nhau Năm 2009, các nhà khoa học của đại học đãchế tạo thành công dạng áo choàng đầu tiên Ngày nay , tuy vẫn còn nhiều hạn chế , cácdạng che đậy tàng hình đang phát triển mạnh mẽ và có nhiều triển vọng

Nhờ có công nghệ, chiếc áo choàng tàng hình của Harry Potter sẽ sớm bước ra đời thực.

II.Chiết suất âm

-Trong nghiên cứu khoa học ở các ngành nghiên cứu về sóng điện từ , viễn thông , thiênvăn học , đòi hỏi sự chế tạo các thấu kính đạt tới mức hoàn hảo và gia tăng hiệu suất củacác thiết bị viễn thông dân sự và quân sự , người ta bắt đầu chú ý tới lý thuyết củaVeselago để tạo ra các loại vật liệu có chiết suất âm phục vụ các mục đích của conngười ,

1.Nghiên cứu của Veselago

-Ông bắt đầu từ 4 công thức tổng quát của phương trình Maxwell, đó là những công thứccăn bản nhất, liên hệ và thống nhất điện và từ vào một thực thể chung, điện từ trường Khi epsilon ( điện môi ) > 0 và mu ( từ môi)>0, vectơ sóng k , E và H được biểu thị dưới dạng right-handed ( qui tắc cánh phải) Khi epsilon < 0 và mu < 0, vectơ sóng k , E và H được biểu thị dưới dạng left-handed ( qui tắc cánh trái) Nhưng giá trị của vectơ mật

độ, Poynting vectơ S, vectơ E ( điện trường ) và vectơ H ( từ trường) thì luôn luôn theo quy tắc cánh phải, và hoàn toàn không phụ thuộc vào dấu của 2 hằng số điện môi và từ môi

Giản đồ biểu diễn mối liên hệ giữa ε và μ

-Định luật Snell khi áp dụng cho trường hợp đổi dấu vẫn đúng, chỉ có điều được mở rộng thêm, đó là khi chiết suất âm, tia khúc xạ và tia tới sẽ cùng nằm một phía pháp tuyến, trái ngược với trường hợp cổ điển, khi chiết suất dương, tia tới và tia khúc xạ nằm ở 2 phía pháp tuyến khác nhau

-Veselago tiếp tục mạch suy luận của mình, với trường hợp Hiệu ứng chuyển vạch

Doppler shift, khi đó dấu của chuyển vạch Doppler phụ thuộc vào dấu của chiết suất Tương tự với trườnghợp Hiệu ứng bức xạ Cherenkov, thường thấy trong các lò phản ứnghạt nhân, khi các hạt điện tích di chuyển trong môi trường điện môi có vận tốc lớn

hơn vận tốc pha của ánh sáng trong môi trường đó Ông còn mô tả điều gì xảy ra khi sử dụng thấu kính giả- phẳng với chiết suất âm, và dự đoán về một lớp thiết bị sử dụng loại vật liệu nhân tạo này Theo ông, thấu kính với kết cấu chiết suất âm cho phép chuyển đổi thực thể 3D thành hình ảnh không gian 3 chiều 3D mà không bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng quang sai, biến cong distortions

Giáo sư Veselago

-Sau 15 năm nghiên cứu về hướng vật liệu sử dụng chiết suất âm, Veselago tóm lược kết quả đó vào năm 1967 và xuất bản công trình nghiên cứu của mình trên tạp chí của Nga, Veselago,V.G, Sov.Phys.Usp (1968), 10, 509 Câu hỏi trọng tâm của bài báo đó là ” Môi trường điện môi nào cho phép vật liệu quy tắc cánh trái tồn tại, và các đặc tính của chúng

ra sao“ Ông cũng chỉ dẫn cách làm sao để có thể chế tạo ra lớp vật liệu quy tắc cánh trái này Một hướng gợi ý, đó là sử dụng các bán dẫn từ, như CDCr_2Se_4 Vấn đề kho khăn khi đó ( những năm 1950-60) chính là kỹ thuật Hướng thứ 2, đó là sử dụng hỗn hợp các điện tích và từ tích Hướng này cho phép vật liệu có độ đẳng hướng cao, tuy nhiên khó khăn đó là, chưa phát hiện ra từ tích ( monopole), đến hiện tại, chúng ta vẫn bỏ ngỏ khả năng tồn tại từ tích này

-Phải chờ đến 30 năm sau, khi giáo sư Pendry, đến từ trường đại học IC London, Pendry, J.B et al, IEEE Trans.Microw.Theory Tech (1999) 47, 2075, gợi ý về việc chế tạo vật liệu 2 chiều là các vòng phân cảm ( split ring resonator-SRR), cho phép tạo ra từ thẩm mu(omega) < 0 trong khi các dây dẫn kim loại vẫn sử dụng epsilon(omega) < 1 Chưa

đầy 1 năm sau, các nhà khoa học đến từ trường đại học California, UCSD, dưới sự hướngdẫn của giáo sư Sheldon Schultz, Smith, D.R., Schurig D., Rosenbluth M., Schultz S đã kết hợp ý tưởng từ thẩm âm của Pendry với vật liệu có điện thẩm âm ( được nghiên cứu

và phát hiện từ nhiều năm trước đó), để hoàn thành loại vật liệu nhân tạo, có chiết suất

âm, Smith, D.R, et al, Phy.Rev.Lett (2000) 84, 4184, từ đó mở ra một chân trời vật lý mới, nơi sử dụng các vật liệu nhân tạo có đặc tính dị thường Một trongnhững kết quả nổi bật của loại vật liệu này, đó là nó cho phép chế tạo các thiết bị vượt qua giới hạn nhiễu xạ , dự đoán cũng bởi giáo sư Pendry, và được kiểm chứng năm 2004 bởi Grbic,A and Eleftheriades, G.V, Phy Rev Lett (2004) 92, 117403

2.Các phát hiện mới

-Hiện tại, nhiều nhóm nghiên cứu đến từ các viện và trường đại học hàng đầu thế giới đang tham gia và lĩnh ực vật liều nhân tạo, chiết suất âm ( metamaterials ), như UCSD, MIT, ICLondon, Duke, ETH Zurich… và số lượng bài báo cũng như trích dẫn vẫn đang tăng một cách ngạc nhiên Thống kê chưa đầy đủ của Microsoft Academic có thể miêu tả phần nào sức hút của lĩnh nghiên cứu mới mẻ này Sheldon Schultz, D R Smith, John

B Pendry

-Các thiết bị khai thác hiệu ứng này cho đến ngày nay (ví dụ như siêu thấu kính có độ phân giải cao - high-resolution superlenses) đều sử dụng các vật liệu được tạo ra một cách nhân tạo trong các phòng thí nghiệm, ví dụ như sắp xếp các vành hay các thanh bằng đồng Lý do đơn giản là do các vật liệu có đồng thời độ từ thẩm âm và hằng số điện môi âm chưa được tìm thấy trong tự nhiên

-Thế nhưng mới đây, nhóm của Andrei Pimenov (Đại học Tổng hợp Würzburg, Đức) cùng với một số đồng nghiệp ở các nơi khác ở Đức đã chỉ ra rằng có thể tạo hiệu ứng chiết suất âm trong các vật liệu sắt từ kim loại và thậm chí trong các vật liệu tự nhiên -Nhóm của Pimenov ban đầu hoài nghi về các vật liệu sắt từ có thể có tính chiết suất âm sau khi tiến hành kiểm nghiệm các vật liệu có chứa các lớp sắt từ và siêu dẫn vào năm ngoái Họ phát hiện ra một cách ngạc nhiên rằng các vật liệu này đều biểu hiện tính chiết suất âm yếu nếu các lớp siêu dẫn ở trạng thái dẫn điện thông thường và nếu đặt một từ

trường để giữ lớp sắt từ ở trạng thái "cộng hưởng" tức là khi các mômen từ quay ở cùng

tần số với tần số ánh sáng Điều này đã thôi thúc họ tìm kiếm tính chất chiết suất âm trong các vật liệu sắt từ thuần nhất

Sự phụ thuộc nhiệt độ của độ dẫn và từ độ vào nhiệt độ của màng La2/3Ca1/3MnO 3 - ở dưới nhiệt độ

Curie, tính dẫn là kim loại

-Nhóm tạo ra màng sắt từ - kim loại La2/3Ca1/3MnO3 (màng vật liệu perovskite) và đo

sự thay đổi về biên độ và pha của ánh sáng khi truyền qua màng bằng cách sử dụng cácgiao thoa kế Nói thêm về vật liệu La2/3Ca1/3MnO3, đây không phải là vật liệu kim loại,

mà là vật liệu ở dạng gốm, có cấu trúc perovskite, có tính chất rất đặc biệt Tính chất từ,tính chất dẫn điện của vật liệu có thể thay đổi ở nhiều trạng thái ở các nhiệt độ khác nhau

Và ở dưới nhiệt độ Curie, nó có tính sắt từ đồng thời mang tính dẫn kim loại, nên đượcgọi là "sắt từ - kim loại" (không nên nhầm là kim loại như các kim loại sắt từ khác).

Sau khi phân tích các kết quả thu được, nhóm tính toán được độ từ thẩm cũng như hằng

số điện môi của màng, và do đó xác định chính xác chiết suất của màng. Ở dải tần

số tới 150 GHz, họ phát hiện ra rằng chiết suất của màng trở thành âm, tuy nhiên hiệu ứng này biến mất khi tần số ánh sáng tăng đến dải tần số lớn hơn.

-Pimenov nói rằng các vật liệu sắt từ - kim loại trên nguyên tắc có thể có hiệu ứng chiết suất âm ở dải tần số tới 1 THz Tuy nhiên, ông cũng bổ sung rằng các vật liệu như thế sẽ không giống như là có hiệu ứng chiết suất âm ở dải tần quang học (trên 450 THz), có thể loại bỏ chúng ở các siêu thấu kính quang học Tuy vật, Pimenove nói rằng nhóm của ông

sẽ tiếp tục kiểm nghiệm tính chất này ở nhiều vật liệu khác nhau kể cả sắt, với hi vọng có thể đạt được hiệu ứng chiết suất âm khi ở trạng thái cộng hưởng ở tần số cao hơn 150 GHz, sẽ rất hữu ích cho các thiết bị truyền thông

3.Ứng dụng

Vật liệu chiết suất âm được coi là có ứng dụng to lớn trong việc chế tạo các thấu kính đặcbiệt là siêu thấu kính , và các thiệt bị quang học như công nghệ tàng hình , mở rộng ra là các ứng dụng trong việc truyền dẫn và điều khiển thông tin dạng sóng điện từ trong ngành viễn thông và quốc phòng cũng như công nghệ lưu trữ thông tin dạng sóng

4.Sự phát tiển và nghiên cứu ở Việt Nam

Đã có nhóm nghiên cứu ở VN chế tạo thành công vật liệu này với hiệu ứng từ nhiệt

khổng lồ trong từ trường thấp ( T.D Hiep, N Chau)

III.Vật liệu siêu tàng hình

Siêu vật liệu tàng hình là việc sử dụng siêu vật liệu trong một chiếc áo choàng tàng

hình Điều này được thực hiện bằng cách điều khiển những con đường đi qua của ánhsáng thông qua một vật liệu quang học mới Siêu vật liệu trực tiếp và kiểm soát các côngtác tuyên truyền và truyền dẫn của phần quy định của phổ ánh sáng và chứng minh tiềmnăng để làm cho một đối tượng dường như vô hình Cloaking siêu vật liệu, dựa trênquang học, mô tả quá trình che chắn được điều gì từ quan điểm bằng cách kiểm soát bức

xạ điện từ Các đối tượng trong các vị trí được định nghĩa là vẫn còn hiện diện, nhưngsóng vụ việc được hướng dẫn xung quanh họ mà không bị ảnh hưởng bởi các đối tượngchính nó

Các cấu trúc nhân tạo cho các ứng dụng kỹ thuật che giấu là một lưới thiết kế - một cáchtuần tự lặp đi lặp lại mạng - các yếu tố giống hệt nhau Ngoài ra, đối với lò vi sóng tần số,các tài liệu này là tương tự với các tinh thể cho quang học Ngoài ra, một siêu vật liệu baogồm một chuỗi các phần tử và spacings, mà là nhỏ hơn nhiều so với các lựa chọn bước

sóng của ánh sáng Các bước sóng được chọn có thể là tần số vô tuyến điện, lò vi sóng,hoặc bức xạ khác, bây giờ mới bắt đầu tiếp cận vào các tần số có thể nhìn thấy.

Mặc dù ánh sáng bao gồm một điện trường và từ trường, vật liệu quang học thôngthường, chẳng hạn như kính hiển vi quang học ống kính, có một phản ứng mạnh mẽchỉvới điện trường Sự tương tác từ trường tương ứng về cơ bản là con số không

Phân tán sóng của một máy bay qua một pec xilanh

1.Nghiên cứu các thiết bị tàng hình

-Mục đích của một thiết bị tàng hình là để che giấu một cái gì đó, vì vậy mà một khu vựcđược xác định trong không gian vô hình được phân lập với đường đi của các trường điệntừ

thể được làm chậm lại hoặc bị bắt trước khi truyền Nói cách khác, những cách thức mới

để tập trung ánh sáng và bức xạ và dự án khác đang được phát triển

b.Vật liệu tàng hình và các hạn chế

-Bức xạ điện từ và vật chất có một mối quan hệ cộng sinh.Bức xạ không chỉ phản chiếu hay truyền qua vật chất mà còng tương tác với vật chất Người ta phát triển các công nghệ che đậy nhưng hầu hết còn nhiều hạn chế về việc tàng hình hoàn hảo vì khó có thể làm ra một thiết bị có thể tương tác được mới mọi phương , mọi tần số

-Việc ứng dụng các lý thuyết bẻ cong ánh sáng lần đầu tiên được thực nghiệm vào năm

2006 mới một bức xạ vi sóng cố định, nó bẻ cong thành công vi sóng đi vòng qua nó Mặc dù có những dấu hiệu thành công , tuy nhiên công nghệ này vẫn còn nhiều hạn chế như chỉ hiệu quả ở những bức tần số nhỏ và vật che đậy gần như tàng hình , thứ hai chỉ hiệu quả với những vật có kích thước bé

-Đa phần các thiết bị sử dụng vật liệu tàng hình đều phải tiêu thụ lượng năng lượng lớn

Các rào cản : Rào cản chính của việc chế tạo các thiết bị tàng hình dưới các sóng là quá

đẳng hướng ( vật liệu chỉ có thể tàng hình ở một hướng ) và một tần số xác định , trong khi giới quân sự yêu cầu tàng hình trong nhiều loại sóng như vi sóng , hồng ngoại , tần số

âm …

2.Các công nghệ mới và giải pháp đang được phát triển

Vật liệu tàng hình được tạo thành từ các khối nanoantenna vàng có đ dày 80 nano-mét, chỉ mỏng ộ dày 80 nano-mét, chỉ mỏng manh như lớp da người Bề m t thì được thiết kế gồ ghề để thay đổi hướng di chuyển của sóng ánh

sáng khiến vật ở bên trong trở nên vô hình.

Đồ quân dụng từ vật liệu nano

Mỹ đã nghiên cứu ra một loại vật liệu kiểu mới, có thể uốn cong ánh sáng nhìn thấy ở kích thước nano, nếu tiến triển thêm bước thực hiện, “Chiếc áo tàng hình” thần kỳ trong thế giới viễn tưởng có hy vọng trở thành hiện thực Vật liệu kiểu mới do Mỹ chế tạo ở kích thước nano, có thể bẻ cong ánh sáng nhìn thấy trong không gian 3 chiều Nguyên lý tàng hình, ánh sáng chiếu vào vật liệu có thể không khúc xạ chệch hướng như thông thường, mắt người cũng sẽ không nhìn thấy

Hiện nay, Mỹ chỉ có thể thực hiện tàng hình ở kích thước nano, nhưng từ góc độ lý luận, nguyên lý như vậy cũng có thể thực hiện ở kích thước thông thường, trong tương lai có thể dùng vật liệu này chế thành “Áo tàng hình” Gần đây, các chuyên gia nghiên cứu Mỹ từng tổng hợp được “Vật liệu siêu cấp” có tỷ lệ khúc xạ âm, lợi dụng đặc tính quang học đặc thù của vật liệu, làm cho ánh sáng gấp khúc Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu hiện nay vẫn tồn tại những hạn chế nhất định Ví dụ, có loại chỉ có thể bẻ cong được ánh sáng vi sóng (bước sóng ở khoảng 1mm đến 1m), tia sáng nằm trong vùng mắt người không nhìn thấy Có loại có thể làm cho tia sáng bị gấp khúc ngoằn ngèo 2 chiều, chứ không thể tàng hình 3 chiều