Dùng ánh sáng điều chỉnh tính chất của siêu chất liệu

Một đội nghiên cứu quốc tế vừa tạo ra siêu chất liệu đầu tiên có các tính chất có thể điều khiển được bằng ánh sáng. Theo các nhà nghiên cứu, siêu chất liệu trên – cấu tạo gồm những bộ cộng hưởng kim loại với các mạch điện tử tích hợp các quang diode – có thể khai thác trong các ứng dụng radar và viễn thông.

Các siêu chất liệu lần đầu tiên được tạo ra cách nay khoảng 10 năm trước. Chúng là những cấu trúc nhân tạo chứa những ma trận thành phần nhỏ xíu như các que và các vòng phản ứng với ánh sáng và những sóng điện từ khác theo những kiểu khác lạ. Ví dụ, một siêu chất liệu có thể được thiết kế để có một chiết suất âm nên nó bẻ cong ánh sáng theo chiều ngược lại với chất liệu bình thường. Một tính chất độc đáo như vậy có nghĩa là các siêu chất liệu được dùng để chế tạo các “siêu thấu kính” có khả năng hội tụ ánh sáng vào một điểm nhỏ hơn bước sóng của nó, cho phép kính hiển vi quang học nhìn thấy những vật thể nhỏ hơn nhiều khả năng của chúng hiện nay. Chúng còn có thể dùng để chế tạo “áo tàng hình” đối với sóng điện từ.

Nguyên mẫu chất liệu có thể lập trình bằng ánh sáng. (Ảnh: ANU)

Nhạy ánh sáng

Tuy nhiên, cho đến nay, đa số các siêu chất liệu có kiến trúc cố định và tính chất của chúng không thể điều chỉnh tự do. Một đội đứng đầu là Ilya Shadrivov và Yuri Kivshar ở trường Đại học Quốc gia Australia và Đại học Công nghệ Thông tin, Cơ học và Quang học ở Nga, vừa đi tới một quan điểm mới khắc phục được vấn đề này. Các nhà nghiên cứu quyết định xây dựng một mạng lưới siêu chất liệu không chỉ với những rãnh kim loại đơn giản như trong các thí nghiệm trước đây, mà còn chứa những mạch điện tử tích hợp các quang diode nhạy sáng.

“Điện áp tạo ra bởi quang diode này khi nó được rọi sáng có thể dùng để làm thay đổi sự cộng hưởng của cấu trúc siêu chất liệu,” Shadrivov giải thích. “Điều này có nghĩa là chúng tôi có thể tự do điều khiển các tính chất khúc xạ của cấu trúc và bẻ cong những chùm ánh sáng vi sóng đi qua siêu chất liệu theo bất kì hướng nào mà chúng tôi muốn.”

Ma trận được rọi sáng

Các siêu chất liệu dùng trong nghiên cứu này được chế tạo theo kiểu giống như một bo mạch in thông thường với một mạng lưới những đường dẫn bằng đồng. Trong trường hợp này, các đường dẫn gồm 24 cái gọi là bộ cộng hưởng vòng móc khóa ghép liền kề (SSR) đặt trước một màn hình kim loại. Các bộ phận trong cấu trúc này tương tác với vi sóng giống như các nguyên tử thủy tinh bình thường trong một thấu kính tương tác với ánh sáng. SRR có cấu tạo gồm hai cái vòng hở bằng đồng đặt lên hai bên đối diện nhau của một bo mạch in 1,6 mm. Bán kính trong của SRR là 3,25 mm, bề rộng của sợi dây kim loại là 0,5 mm, bề dày đồng là 30 μm và khoảng trống giữa chúng là 1 mm. Mỗi cái vòng có một khoảng trống 0,4 mm nữa trong đó đặt một mạch điện tử với các quang diode. Những diode này tạo ra một điện áp tăng khi cường độ của ánh sáng tới tăng lên.

“Bố trí của chúng tôi còn cho phép chúng tôi thay đổi tính chất của siêu chất liệu một cách không đều bằng cách rọi lên ma trận đó những chùm ánh sáng có cường độ khác nhau,” Shadrivov nói. “Khái niệm có thể điều chỉnh quang tính của một siêu chất liệu như thế này có tiềm năng sử dụng để chế tạo các đĩa vệ tinh có thể cấu hình lại hoặc những bộ phản xạ cho các anten có thể hoạt động ở những bước sóng ánh sáng khác nhau. Chúng ta có thể làm thay đổi tính chất của một cái đĩa như vậy (ví dụ như tiêu cự hoặc độ phản xạ của nó) mà không làm chút nào thay đổi hình dạng vật lí của nó và có thể, chẳng hạn, chế tạo một cái đĩa vệ tinh không có dạng đĩa gì cả mà là một cái đĩa phẳng.”

Những cấu trúc như vậy còn có thể được thiết kế thành những bộ hấp thụ mạnh ánh sáng hoặc có thể dùng chúng để chế tạo các áo tàng hình có thể cấu hình lại toàn bộ. “Những dụng cụ này có thể khai thác trong các ứng dụng quân sự lẫn dân sự,” ông nói.

Nghiên cứu sẽ công bố trên tạp chí Physical Review Letters.

123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com