Trong luận văn có sử dụng mô hình lai hóa để mở rộng dải tần số của siêu vật liệu có độ từ thẩm âm sử dụng cấu trúc cặp đĩa đối xứng hai chiều, cấu trúc tƣơng tự cặp dây bị cắt (CWPs) hai lớp. Vì vậy sau đây luận văn trình bày sơ lƣợc cơ sở vật lý của phƣơng pháp lai hóa này cho cấu trúc CWPs để từ đó áp dụng một cách linh hoạt cho cấu trúc sử dụng. Cơ sở vật lý của phƣơng pháp này là sử dụng tƣơng tác mạnh giữa hai lớp CWPs liền kề theo phƣơng truyền sóng k tạo ra hiện tƣợng hỗ cảm để tách vạch cộng hƣởng, kết quả là mở rộng vùng tần số hoạt động.
Hình 1.17. 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 [20].
Xét một hệ siêu vật liệu gồm 2 tấm CWPs dọc theo phƣơng truyền sóng
k. Ô cơ sở mặt cắt theo phƣơng truyền sóng kcủa hệ và giản đồ lai hóa bậc 2 đƣợc biểu diễn nhƣ trên hình 1.17. Có thể hình dung rằng, ngoài tƣơng tác giữa các điện tích bên trong mỗi CWP, hai CWPs cũng sẽ tƣơng tác lẫn nhau ở khoảng cách thích hợp.
Dựa vào giản đồ lai hóa bậc hai ta có thể thấy rằng khi hai cặp CWPs (bốn CWs) đặt gần nhau, các mode cộng hƣởng điện |ω+> và mode cộng hƣởng từ |ω-> cơ bản trong giản đồ lai hóa bậc một của từng CWP sẽ bị suy biến và mỗi mode này tách thành hai mode mới riêng biệt. Tuy nhiên, với mục đích mở rộng vùng có độ từ thẩm âm phục vụ cho các nghiên cứu mở rộng vùng chiết suất âm nên trong nghiên cứu này, chỉ quan tâm đến sự tách của mode cộng hƣởng từ |ω-> cơ bản. Mode cộng hƣởng từ cơ bản |ω-> đƣợc tách thành hai mode mới |ω--> và |ω-+> khi hai lớp CWP ở gần nhau với khoảng cách thích hợp nhƣ trên hình 1.17 (c). Dễ dàng nhận thấy hai mode này là hai mode cộng hƣởng từ có thể tạo ra độ từ thẩm âm vì nó đƣợc tách ra từ mode cộng hƣởng từ cơ bản |ω->. Lực Coulomb sinh ra giữa các CWP sẽ góp phần vào việc xác định các mức năng lƣợng tổng cộng của giản đồ lai hóa bậc hai. Mode |ω-->có năng lƣợng thấp hơn vì sự dao động của các điện tích bên trong mỗi CW trong trƣờng hợp này là ngƣợc pha tính với tất cả các CWs liền kề nhau và do đó các lực hồi phục giữa các CW liền kề đều là lực hút. Về mặt bản chất, khoảng cách giữa hai CW td (hay chiều dày lớp điện môi) trong một lớp CWP sẽ đặc trƣng cho tƣơng tác nội trong mỗi CWP. Trong khi đó, khoảng cách giữa hai cặp CWP d sẽ chi phối tƣơng tác bên ngoài giữa chúng. Nhƣ vậy, cƣờng độ kết cặp hay sự tách các mode lai hóa theo giản đồ này sẽ phụ thuộc mạnh vào tỷ số d/td.
Kết quả khảo sát mô phỏng sự phụ thuộc của phổ truyền qua, phản xạ và độ hấp thụ của hệ 02 CWP vào tỷ số d/td đƣợc biểu diễn trên hình 1.18 cho
thấy, khi d giảm từ 6td xuống td, các thông số tán xạ thay đổi một cách đáng kể [20]. Khi khoảng cách d lớn, tƣơng tác nội tại chiếm ƣu thế. Do đó, phổ truyền qua chỉ quan sát thấy một đỉnh cộng hƣởng tƣơng ứng với mode cộng hƣởng từ cơ bản (13.8 GHz). Khi khoảng cách d giảm dần, tƣơng tác ngoài mạnh dần lên và mode cộng hƣởng từ ban đầu dần dần rộng ra và cuối cùng bị tách thành 2 mức riêng biệt khi d = td.
d = 6td d = 5td
d = 4td d = 3td
d = 2td d = td
Hình 1.18. Phổ truyền qua, phản xạ và độ hấp thụ phụ thuộc vào khoảng cách giữa 2 CWP [23].
Hình 1.18 cũng cho thấy độ hấp thụ đạt giá trị lớn nhất tại d = 4td. Tại giá trị này, hiệu ứng tách tần số cộng hƣởng trở nên rõ rệt hơn. Vị trí này là vị
trí chồng chập của 2 cộng hƣởng và do đó độ tổn hao có thể đƣợc xem nhƣ là tổng của các mất mát ở hai đỉnh cộng hƣởng.
Do 2 mode cộng hƣởng mới bắt nguồn từ cộng hƣởng từ cơ bản nên bản chất đều là mode cộng hƣởng từ và có khả năng tạo ra độ từ thẩm âm. Kết quả tính toán giá trị của độ từ thẩm trên hình 1.19 đã xác nhận điều này. Kết quả cho thấy, khi d giảm từ 4td xuống td, độ từ thẩm âm đạt đƣợc trong dải tần số
xung quanh hai đỉnh cộng hƣởng nên vùng tần số có độ từ thẩm âm đƣợc mở rộng (tăng từ 0,59 GHz lên thành 1,7 GHz).
CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Luận văn đƣợc tiến hành dựa trên sự kết hợp giữa tính toán, mô phỏng và thực nghiệm. Sơ đồ phƣơng pháp nghiên cứu của luận văn đƣợc trình bày trên hình 2.1. Xuất phát từ các ý tƣởng vật lý, cấu trúc của siêu vật liệu đƣợc thiết kế, mô phỏng để thu đƣợc các đặc tính của sóng điện từ khi đi qua vật liệu nhƣ: phổ truyền qua, phản xạ, pha…Ngoài ra, thông qua các phổ này, vị trí các tần số cộng hƣởng điện từ (nơi mà các tính chất đặc biệt của siêu vật liệu xuất hiện) hoàn toàn có thể xác định đƣợc. Song song với quá trình mô phỏng, quá trình tính toán lý thuyết thông qua mô hình mạch điện LC đƣợc thực hiện cũng nhằm mục đích là thu đƣợc các vị trí tần số cộng hƣởng điện từ nhƣng độc lập với quá trình mô phỏng.
Hình 2.1. Sơ đồ tiến trình nghiên cứu.
Thông thƣờng, để tiết kiệm chi phí chế tạo, trƣớc tiên kết quả của hai phƣơng pháp này đƣợc so sánh với nhau, từ đó tìm ra các mẫu tối ƣu để đƣa vào chế tạo và đo đạc. Cuối cùng, các kết quả của cả ba phƣơng pháp này sẽ đƣợc so sánh với nhau từ đó đánh giá và đi đến kết luận.
SO SÁNH SO SÁNH KẾT LUẬN Ý TƢỞNG VẬT LÍ THỰC NGHIỆM MÔ PHỎNG, THIẾT KẾ MÔ HÌNH MẠCH LC