Siêu vật liệu quang học mới có thể biến kính 1D thực thành siêu thực

Sau nhiều thập kỷ xây dựng lý thuyết dựa trên nền tảng vật lý, các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc tạo ra một siêu vật liệu quang học mới sử dụng các vật liệu thông thường. Hiệu ứng điện từ nâng cao của nó có thể biến kính một chiều thành siêu thực, đồng thời giúp cho các tấm pin mặt trời sẽ hoạt động hiệu quả hơn. Phản ứng của vật liệu truyền thống đối với điện trường và từ trường hay đối với ánh sáng được xác định bởi các nguyên tử. Tuy nhiên, trong siêu vật liệu quang học, các nguyên tử được thay thế bằng siêu nguyên tử có thể thiết kế cấu trúc để có được những đặc tính hiếm thấy trong tự nhiên, từ đó có các thiết kế tạo ra các phản ứng điện từ độc đáo và cho phép thao tác chính xác với ánh sáng ở cấp độ nano.

Khả năng kiểm soát và điều khiển ánh sáng ở cấp độ nano mở ra nhiều ứng dụng cho siêu vật liệu trên nhiều lĩnh vực khác nhau. Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học Aalto ở Phần Lan đã tạo ra một siêu vật liệu quang học mới có thể biến kính một chiều chân thực thành siêu thực.

Ở dạng tổng quát nhất, hiệu ứng điện từ (ME) biểu thị sự kết hợp giữa các tính chất từ và điện của vật liệu. Mặc dù tác động của từ hóa lên các vật liệu truyền thống ở tần số quang là không đáng kể, nhưng nó có thể được tăng cường nhờ vào siêu vật liệu, trong đó từ hóa có thể được tạo ra bởi thành phần điện của ánh sáng và sự phân cực có thể được tạo ra bởi thành phần từ tính.

Các nghiên cứu trước đây đã chứng minh rằng từ tính mạnh ở tần số vi sóng, tạo ra hiệu ứng ME rõ rệt ở dải phổ này. Bất chấp hai thập kỷ đưa ra lý thuyết, cho đến nay, thật khó để nhận ra một siêu vật liệu hoạt động ngoài phạm vi đó.

Siêu vật liệu mới dựa vào hiệu ứng điện từ không tương hỗ (NME). Hiệu ứng NME ngụ ý rằng các đặc tính từ hóa và phân cực của vật liệu được liên kết với các thành phần khác nhau của ánh sáng hoặc các sóng điện từ khác.

Shadi Safaei Jazi, tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Cho đến nay, hiệu ứng NME vẫn chưa dẫn đến các ứng dụng công nghiệp thực tế. Hầu hết các phương pháp được đề xuất sẽ chỉ dừng lại đối với vi sóng chứ không phải ánh sáng khả kiến và chúng cũng không thể được chế tạo bằng công nghệ hiện có”.

Các nhà nghiên cứu đã khắc phục những vấn đề này bằng cách sử dụng các kỹ thuật công nghệ và chế tạo nano hiện có để tạo ra siêu vật liệu NME quang học ba chiều có các siêu nguyên tử riêng lẻ, được làm từ các vật liệu thông thường, coban và silicon, từ hóa tự phát tức thời.

Siêu vật liệu mới mở đường cho các ứng dụng cần từ trường bên ngoài mạnh để hoạt động, chẳng hạn như kính một chiều. Thứ gọi là kính ‘một chiều’ hiện nay thực chất chỉ là bán trong suốt, cho ánh sáng xuyên qua theo cả hai hướng. Nó hoạt động giống như kính một chiều khi có sự chênh lệch về độ sáng giữa hai bên. Tuy nhiên, kính một chiều dựa trên NME sẽ không yêu cầu sự chênh lệch độ sáng đó vì ánh sáng chỉ có thể đi qua nó theo một hướng.

Safaei nói: “Hãy tưởng tượng bạn đang đứng trước ô cửa sổ bằng kính đó trong nhà, văn phòng hoặc ô tô của bạn. Bất kể độ sáng bên ngoài như thế nào, mọi người sẽ không thể nhìn thấy bất cứ thứ gì bên trong, trong khi bạn lại có được tầm nhìn hoàn hảo từ ô cửa sổ đó của mình”.

Siêu vật liệu này cũng có khả năng làm cho pin mặt trời hoạt động hiệu quả hơn bằng cách ngăn chặn sự phát xạ nhiệt mà các tế bào hiện có tỏa trở lại mặt trời, làm giảm lượng năng lượng mà chúng thu được. Công trình nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Nature Communications.

P.T.T (NASATI), theo https://newatlas.com/materials/optical-metamaterial-nonreciprocal-magnoelectric-effect-one-way-glass/, 19/2/2024