Một trong những điều thú vị nhất của siêu vật liêu MM là chúng ta có thể thiết kế và chế tạo vật liệu hoạt động ở các dải tần số mong muốn khác nhau từ microwave tới THz, thậm chí tới vùng ánh sáng nhìn thấy. Khả năng hoạt động linh hoạt trong các vùng tần số khác nhau, đặc biệt là vùng THz (còn được biết đến với tên gọi là vùng cấm THz - THz gap) giúp cho siêu vật liệu này có thể thay thế các vật liệu tự nhiên trong những ứng dụng mà ở đó vật liệu tự nhiên chưa đáp ứng được.
Trong phần này, luận văn trình bày kết quả thiết kế và mô phỏng vật liệu MM có độ từ thẩm âm có cấu trúc CWP hoạt động ở vùng tần số THz. Hình 3.5 trình bày ô cơ sở của cấu trúc CWP được mô phỏng. Các CWP này được sắp xếp một cách tuần hoàn trong mặt phẳng (x,y). Mỗi ô cơ sở bao gồm 1 cặp CW xếp song song, đối xứng và được ngăn cách với nhau bởi một lớp điện môi ở giữa. Hằng số mạng của ô cơ sở theo trục x và y tương ứng là ax = 18 µm và ay =36 µm. Sóng tới truyền theo trục
z, vuông góc với mẫu. Điện trường E được phân cực dọc theo trục y và từ trườngH
Hình 3.5: Ô cơ sở của cấu trúc cặp dây bị cắt và sự phân cực sóng điện từ. của CW cũng được chọn làtm =2 µm . Chiều dài và chiều rộng của CW tương ứng làl =28µmvàw=6µm. Vật liệu được chọn làm điện môi là Al2O3 với hàm số của điện môi được mô phỏng dựa trên số liệu thực nghiệm đo đạc được trong khoảng tần số 1-3 THz [2]. Trong khi đó, các CW được giả sử là làm từ bạc và được miêu tả bằng mô hình Drude như công thức (1.21). Tần số plasma của bạc làωp=14×1015rad/s
và tần số dập tắt làγ =0.032×1015 rad/s[4]. Dựa trên các thông số này, hệ số điện thẩm của Al2O3 và bạc được tính toán và trình bày trên hình 3.6.
(a) Al2O3 (b) Bạc
Hình 3.6: (a) Phần thực và phần ảo của hệ số điện thẩm của Al2O3. (b) Phần thực và phần ảo của hệ số điện thẩm của bạc.
(a) (b)
(c)
Hình 3.7: Phổ truyền qua và phản xạ dưới dạng (a) tuyến tính và (b) dB. (c) Pha của thành phần truyền qua và phản xạ.
Hình 3.7 trình bày kết quả mô phỏng của phổ truyền qua, phản xạ và pha của hai thành phần này. Kết quả cho thấy xuất hiện 1 vùng không truyền qua xung quanh tần số 1.9 THz. Từ phổ truyền qua, ta có thể khẳng định cấu trúc CWP tương tác với trường ngoài và làm xuất hiện một đỉnh cộng hưởng gần tần số 1.9 THz. Vì cấu trúc CWP có khả năng tạo ra cả cộng hưởng điện và cộng hưởng từ, ta sẽ tiến hành tính toán các tham số điện từ hiệu dụng để làm rõ bản chất của đỉnh cộng hưởng này.
Giá trị của các tham số độ từ thẩm, độ điện thẩm và chiết suất của CWP được thể hiện trên hình 3.8. Hình 3.8(a) cho thấy công hưởng từ đã được tạo ra ở tần số 1.88 THz. Thực tế, giá trị tần số cộng hưởng từ là giá trị mà tại đó độ từ thẩm bằng 0 và giá trị phần ảo của độ từ thẩm là cực đại. Vì thế tần số cộng hưởng từ thực sự sẽ nằm
(a) (b)
(c)
Hình 3.8: Giá trị phần thực và phần ảo của (a) độ từ thẩm, (b) độ điện thẩm và (c) chiết suất theo tần số.
hơi lệch một ít về bên trái so với đáy của vùng không truyền qua (khoảng 1.9 THz như trên hình 3.7(a)). Lưu ý rằng, mặc dù giá trị phần thực của độ điện thẩm cũng có dạng cộng hưởng như trên hình 3.8(b), đây thực ra chỉ là hiện tượng "anti-resonance" của thành phần điện thẩm hưởng ứng theo cộng hưởng của thành phần từ thẩm [9]. Vì thế bản chất của đỉnh cộng hưởng mà ta quan sát được chính là cộng hưởng từ. Ngoài ra, cũng từ hình 3.8(a), ta thấy rằng độ từ thẩm âm đã đạt được trong dải tần từ 1.88 - 2.17 THz. Do bản chất cộng hưởng, tính nghịch từ giảm dần ở phía trên tần số cộng hưởng và dẫn đến giá trị tuyệt đối của µ âm cũng giảm dần. Trong dải tần này, do
ε >0và µ <0 nên giá trị của chiết suất chủ yếu là ảo như được thể hiện trên hình 3.8(c). Phần ảo của chiết suất đạt giá trị cực đại tại giá trị khoảng 1.9 THz tương ứng
với vị trí đáy không truyền qua trên phổ hình 3.7(a)