CHƯƠNG 3 VẬT LIỆU MPAs HẤP THỤ ĐẲNG HƯỚNG HAI CHIỀU
3.3. MPAs hấp thụ đẳng hướng hai chiều
Một MPA thông thường bao gồm ba lớp: trên cùng là một cấu trúc cộng hưởng kim loại, ở giữa là một lớp đệm điện môi và dưới cùng là một tấm phản xạ kim loại. Nguyên tắc hấp thụ của MPAs dựa trên hiện tượng cộng hưởng từ. Khi bị kích thích bởi sóng điện từ, cấu trúc cộng hưởng kim loại phía trên và gương của nó trên tấm kim loại phía dưới hoạt động như một cộng hưởng từ, có tác dụng tiêu tán năng lượng sóng điện từ tại tần số cộng hưởng bằng tổn hao ohmic trong kim loại và tổn hao điện
môi trong lớp đệm. Tuy nhiên, năng lượng hấp thụ tại một cộng hưởng từ đơn lẻ chỉ khoảng 40-50%. Bằng cách điều chỉnh cấu trúc cộng hưởng thích hợp, trở kháng của MPA sẽ phối hợp với trở kháng của môi trường xung quanh, cho phép sóng truyền vào với độ phản xạ nhỏ nhất. Đồng thời, tấm kim loại phía sau làm sóng không thể truyền qua mà bị phản xạ lại, nói cách khác sóng điện từ bị bẫy trong cộng hường từ và dẫn đến độ hấp thụ gần như tuyệt đối. Tuy nhiên, thiết kế truyền thống này đi kèm với một bất lợi: do tấm kim loại đóng vai trò làm gương phản xạ, tất cả các sóng tới bên ngoài phạm vi hấp thụ đều bị phản xạ ngược trở lại, khiến cho các ứng dụng của vật liệu MPAs ở chế độ truyền qua bị hạn chế.
Để tạo ra một MPA mới có độ hấp thụ cao không sử dụng mặt phẳng kim loại và cho phép sóng điện từ truyền qua bên ngoài dải tần hấp thụ (MPA hấp thụ đẳng hướng hai chiều), chúng tôi bắt đầu bằng cách sử dụng một trong những cấu trúc cơ bản nhất của vật liệu biến hóa MMs, đó là cấu trúc CWP. Cấu trúc CWP dạng cặp đĩa DP đã được chứng minh có đồng thời cộng hưởng điện và cộng hưởng từ khi tương tác với sóng điện từ. Mặc dù đối với cấu trúc DP, sóng điện từ có thể truyền qua ở ngoài vùng cộng hưởng nhưng đỉnh hấp thụ tối đa của cộng hưởng từ và cộng hưởng điện chỉ vào khoảng 30-40% (Hình 3.11). Để khắc phục vấn đề này, có hai cách tiếp cận:
- Thứ nhất là sử dụng cơ chế chồng chập hai cộng hưởng điện và từ. Tổn hao do cả hai cộng hưởng tạo ra sẽ cao hơn nhiều khi chúng cùng xảy ra ở một tần số, từ đó độ hấp thụ tổng thể của cấu trúc sẽ cao hơn. Cách tiếp cận này đã được TS. Đỗ Thành Việt và các đồng nghiệp đề xuất và khảo sát tính chất hấp thụ với cấu trúc CWP dạng kim cương [33]. Bằng cách biến đổi cấu trúc (geometrical transformation), tần số cộng hưởng từ được dịch chuyển dần về phía tần số cộng hưởng điện cho tới khi đạt được sự chồng chập. Tuy nhiên, cách tiếp cận này có hai nhược điểm. Một là, sự chồng chập cộng hưởng phụ thuộc mạnh vào đỉnh nhọn của cấu trúc CWP dạng kim cương làm cho quá trình chế tạo gặp nhiều khó khăn. Hai là, do sự phụ thuộc mạnh vào góc kích thích của cộng hưởng điện, sự chồng chập cộng hưởng chỉ xảy ra ở một góc tới nhất định. Đây là hạn chế lớn nhất khiến cho cấu trúc CWP dạng kim cương hấp thụ đẳng hướng hai chiều mất tác dụng khi góc tới thay đổi. Trong luận án này, để khắc phục các hạn chế nói trên, thay vì sử dụng cấu trúc CWP dạng kim cương, chúng tôi sử dụng cấu trúc DP và điều khiển khoảng cách giữa các bộ cộng
hưởng để thay đổi tần số cộng hưởng điện cho tới khi xuất hiện chồng chập cộng hưởng.
- Thứ hai là một cơ chế mới được đề xuất trong luận án này, đó là sử dụng hiệu ứng lai hóa cộng hưởng từ để tăng cường hấp thụ, khắc phục hạn chế về góc tới hẹp nói trên. Khi hai cấu trúc cộng hưởng từ đồng nhất được đặt trong khoảng cách đủ gần, hiện tượng lai hóa xuất hiện làm suy biến năng lượng và từ đó tách tần số hai cộng hưởng từ đồng nhất thành hai cộng hường từ có tần số sát cạnh nhau. Khi đó, độ hấp thụ của hai cộng hưởng từ suy biến cũng chồng chập xen phủ lẫn nhau, làm tăng độ hấp thụ của cả cấu trúc. Mặt khác, do cộng hưởng từ ít phụ thuộc vào góc tới nên cấu trúc hấp thụ đẳng hướng hai chiều bằng cơ chế lai hóa có thể hấp thụ với góc tới rộng, phù hợp với nhiều ứng dụng trong thực tế.
Sau khi đã nắm bắt được sự vận động của các tính chất điện từ trong vật liệu MMs, phần tiếp theo, chúng tôi sẽ đề xuất hai cơ chế để tạo ra MPAs hấp thụ đẳng hướng hai chiều, đó là cơ chế chồng chập cộng hưởng (mục 3.4) và cơ chế lai hóa cộng hưởng từ (mục 3.5).