MỞ ĐẦU
Có thể nói rằng, vật liệu tiên tiến đã và đang đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các công nghệ hiện đại nhằm phục vụ nhu cầu ngày càng cao của con người. Ngày nay, sự cải tiến công nghệ luôn đi kèm với sự tích hợp các vật liệu quý tồn tại trong tự nhiên, hay các vật liệu tiên tiến mới có cấu trúc nhân tạo chứa đựng các tính chất độc đáo và thú vị. Động lực này đã dẫn đến sự ra đời một loại siêu vật liệu điện từ hay còn gọi là vật liệu biến hóa (Metamaterials – MMs) – chứa đựng nhiều tính chất độc đáo chưa từng quan sát thấy trong tự nhiên. Trải qua hơn hai thập kỷ từ mô hình dự đoán lý thuyết của Veselago năm 1968, vật liệu biến hóa đã tạo nên một cuộc cách mạng về vật liệu tiên tiến cũng như đặt ra nhiều thách thức đối với nền khoa học cơ bản khi chúng có thể thay đổi các quy luật truyền thống trong tương tác giữa vật chất và sóng điện từ như: bẻ cong đường đi của ánh sáng, sự nghịch hướng của sự truyền sóng điện từ với dòng năng lượng hay sự phát xạ Cherenkow ngược [1-4]. Những đặc tính kì dị và thú vị đó đã mở ra một viễn cảnh đầy triển vọng cho ngành khoa học vật liệu để dần hiện thực hóa các kỳ vọng vốn chỉ tồn tại trong thế giới khoa học viễn tưởng của con người.
Về bản chất điện từ, tính chất thú vị của vật liệu biến hóa đạt được thông qua sự sắp xếp và điều khiển cấu trúc hình học mà không phụ thuộc vào đặc tính tự nhiên của vật chất tạo thành. Chính vì lợi thế này, vùng tần số hoạt động của chúng có thể được thiết kế thay đổi linh hoạt cho các ứng dụng thực tế hoạt động từ vùng tần số sóng Radio đến vùng quang học [5-15]. Về cấu tạo vật lý, vật liệu biến hóa được cấu thành từ các “giả nguyên tử” nhân tạo có kích thước nhỏ hơn nhiều lần bước sóng hoạt động. Các “giả nguyên tử” này thực chất là các cấu trúc cộng hưởng tạo thành từ vật liệu điện môi – kim loại, được sắp xếp tuần hoàn (hoặc không tuần hoàn) tùy theo mục đích tạo ra các hiệu ứng điện từ mong muốn. Bên cạnh sự hoạt động linh hoạt trên mọi vùng tần số, vật liệu biến hóa còn sở hữu kích thước ô cơ sở nhỏ hơn rất nhiều lần so với bước sóng hoạt động. Với tính chất đặc biệt và khả năng ứng dụng to lớn đó, các sản phẩm dựa trên vật liệu biến hóa cũng đang dần xuất hiện ngày càng nhiều trên thị trường thương mại quốc tế theo 5 lĩnh vực ứng dụng chính: Cảm biến, liên lạc qua vệ tinh (Satcom) và viễn thông, hàng không và quốc phòng, quang học (vùng THz và hồng ngoại) và các thiết bị y tế. Lĩnh vực nghiên cứu về vật liệu biến hóa được dự đoán sẽ có tốc độ tăng trưởng 63,1% từ năm 2017 đến 2025 [Theo báo cáo mã số SE2430 của công ty tư vấn và nghiên cứu thị trường MarketsandMarkets năm 2017].
Đặc biệt, hiện tượng hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ trong vật liệu biến hóa lần đầu tiên được phát hiện bởi Landy và các cộng sự vào năm 2008 đã làm cho “thị trường” nghiên cứu về vật liệu tàng hình sôi động trở lại do thế hệ vật liệu hấp thụ mới này có kích thước nhỏ hơn nhiều lần các vật liệu hấp thụ truyền thống [16]. Do đó, lĩnh vực nghiên cứu mới có tên là vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ (Metamaterial Perfect Absorbers – MPAs) đã nhanh chóng được phát triển cả về lý thuyết cũng như thực nghiệm. MPAs tỏ rõ lợi thế khi độ dày vật lý của chúng nhỏ hơn rất nhiều bước sóng hoạt động (có thể nhỏ hơn hàng nghìn lần), trong khi các vật liệu hấp thụ truyền thống có độ dày giới hạn trong khoảng 2/4 [17]. Với kích thước mỏng 2/30, thực nghiệm từ nhóm nghiên cứu của Landy đã ghi nhận độ hấp thụ đạt được 88% tại tần số 11,5 GHz, trong khi đó giá trị này lên tới 96% tại 11,48 GHz trong mô phỏng. Với tính chất đặc biệt và tiềm năng ứng dụng to lớn đó, MPAs cũng nhanh chóng được nghiên cứu rộng rãi cho các ứng dụng thực tế từ vùng tần số MHz đến vùng quang học [18-27].
