Chiết suất âm trong các vật liệu sắt từ kim loại tự nhiên ở dải tần số cao

Các nhà vật lý ở Đức khẳng định họ vừa lần đầu tiên tìm ra vật liệu có chiết suất âm một cách tự nhiên, thay vì chiết suất dương như thông thường.

Vật liệu có chiết suất âm này (là một vật liệu sắt từ mang tính dẫn kim loại) rất khác biệt so với các vật liệu chiết suất âm đã từng biết trước kia vốn chỉ có cấu trúc hoàn toàn nhân tạo trong phòng thí nghiệm. Và có chiết suất âm cho đến giải tần số GHz có thể sử dụng trong nhiều linh kiện mới ví dụ như siêu thấu kính... Có thể xem chi tiết các kết quả này trên công trình vừa công bố trên tạp chí Physical Review Letters 98 (2007) 197401.

Bất cứ ai sau khi học các giáo trình căn bản về quang học đều biết đến hiện tượng khúc xạ ánh sáng, là hiện tượng ánh sáng bị gãy khúc khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt có tính chất quang học khác nhau. Và hiện tượng bình thường được gọi là chiết suất dương được biết thông thường là một tia sáng đi trong không khí khi chiếu tới một khối thủy tinh dưới một góc nhất định sẽ bị bẻ cong về phía pháp tuyến.

Nhưng vào năm 1968, nhà vật lý người Nga Victor Veselago đã chỉ ra rằng nếu cả độ từ thẩm và hằng số điện môi của vật liệu đều mang giá trị âm thì hiện tượng khúc xạ sẽ thay đổi, lúc này sẽ xuất hiện hiệu ứng "chiết suất âm" (negative refraction), ở đó, tia khúc xạ sẽ không đi giống như tia khúc xạ trong hiện tượng khúc xạ thường, mà bị bẻ cong về phía khác của pháp tuyến (xem hình 1-b).

Hình 1. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng với chiết suất dương (a) và chiết suất âm (b).

Các thiết bị khai thác hiệu ứng này cho đến ngày nay (ví dụ như siêu thấu kính có độ phân giải cao - high-resolution superlenses) đều sử dụng các vật liệu được tạo ra một cách nhân tạo trong các phòng thí nghiệm, ví dụ như sắp xếp các vành hay các thanh bằng đồng. Lý do đơn giản là do các vật liệu có đồng thời độ từ thẩm âm và hằng số điện môi âm chưa được tìm thấy trong tự nhiên.

Thế nhưng mới đây, nhóm của Andrei Pimenov (Đại học Tổng hợp Würzburg, Đức) cùng với một số đồng nghiệp ở các nơi khác ở Đức đã chỉ ra rằng có thể tạo hiệu ứng chiết suất âm trong các vật liệu sắt từ kim loại và thậm chí trong các vật liệu tự nhiên.

Nhóm của Pimenov ban đầu hoài nghi về các vật liệu sắt từ có thể có tính chiết suất âm sau khi tiến hành kiểm nghiệm các vật liệu có chứa các lớp sắt từ và siêu dẫn vào năm ngoái. Họ phát hiện ra một cách ngạc nhiên rằng các vật liệu này đều biểu hiện tính chiết suất âm yếu nếu các lớp siêu dẫn ở trạng thái dẫn điện thông thường và nếu đặt một từ trường để giữ lớp sắt từ ở trạng thái "cộng hưởng" tức là khi các mômen từ quay ở cùng tần số với tần số ánh sáng. Điều này đã thôi thúc họ tìm kiếm tính chất chiết suất âm trong các vật liệu sắt từ thuần nhất.

Hình 2. Sự phụ thuộc nhiệt độ của độ dẫn và từ độ vào nhiệt độ của màng La2/3Ca1/3MnO₃ - ở dưới nhiệt độ Curie, tính dẫn là kim loại (Theo Phys. Rev. Lett. 98 (2007) 197401).

Nhóm tạo ra màng sắt từ - kim loại La2/3Ca1/3MnO₃ (màng vật liệu perovskite) và đo sự thay đổi về biên độ và pha của ánh sáng khi truyền qua màng bằng cách sử dụng các giao thoa kế. Nói thêm về vật liệu La2/3Ca1/3MnO₃, đây không phải là vật liệu kim loại, mà là vật liệu ở dạng gốm, có cấu trúc perovskite, có tính chất rất đặc biệt. Tính chất từ, tính chất dẫn điện của vật liệu có thể thay đổi ở nhiều trạng thái ở các nhiệt độ khác nhau. Và ở dưới nhiệt độ Curie, nó có tính sắt từ đồng thời mang tính dẫn kim loại, nên được gọi là "sắt từ - kim loại" (không nên nhầm là kim loại như các kim loại sắt từ khác).

Đã có nhóm nghiên cứu ở VN chế tạo thành công vật liệu này với hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ trong từ trường thấp (xem T.D. Hiep, N. Chau et al. in: Proceedings of the Ninth Vietnam Biennial Conference o­n Radio and Electronics (REV’04), November 26–27, 2004, Hanoi, Vietnam, p. 339). Cần chú ý rằng, cấu trúc ở đây là tự nhiên vì không hề có các thao tác can thiệp để hình thành cấu trúc.

Sau khi phân tích các kết quả thu được, nhóm tính toán được độ từ thẩm cũng như hằng số điện môi của màng, và do đó xác định chính xác chiết suất của màng. Ở dải tần số tới 150 GHz, họ phát hiện ra rằng chiết suất của màng trở thành âm, tuy nhiên hiệu ứng này biến mất khi tần số ánh sáng tăng đến dải tần số lớn hơn.

Hình 3. Sự phụ thuộc của chiết suất, hệ số hấp thụ và biến thiên độ từ thẩm của màng La2/3Ca1/3MnO3 vào từ trường và nhiệt độ (Theo Phys. Rev. Lett. 98 (2007) 197401).

Pimenov nói rằng các vật liệu sắt từ - kim loại trên nguyên tắc có thể có hiệu ứng chiết suất âm ở dải tần số tới 1 THz. Tuy nhiên, ông cũng bổ sung rằng các vật liệu như thế sẽ không giống như là có hiệu ứng chiết suất âm ở dải tần quang học (trên 450 THz), có thể loại bỏ chúng ở các siêu thấu kính quang học. Tuy vật, Pimenove nói rằng nhóm của ông sẽ tiếp tục kiểm nghiệm tính chất này ở nhiều vật liệu khác nhau kể cả sắt, với hi vọng có thể đạt được hiệu ứng chiết suất âm khi ở trạng thái cộng hưởng ở tần số cao hơn 150 GHz, sẽ rất hữu ích cho các thiết bị truyền thông.

Vạn lý Độc hành

Theo Physcal Review Letters & PhysicsWeb.org, Vật lý Việt Nam