Lăng kính siêu vật liệu tạo ra cầu vồng ngược

(a) Hình minh họa lăng kính siêu vật liệu, bao gồm một ngăn xếp các bảng mạch và các dải kim loại, được chiếu sáng bằng một ăng-ten điện tử. (b) Ảnh chụp nguyên mẫu lăng kính siêu vật liệu được chế tạo. (c) Ảnh chụp thiết lập thí nghiệm. Ảnh: Morgado, et

Các nhà nghiên cứu, Tiago A. Morgado và các cộng sự, từ Đại học Coimbra, Viện Đại học Lisbon và Đại học Lisbon, Bồ Đào Nha, đã công bố việc tạo ra một cầu vồng ngược trong dải vi sóng của quang phổ bằng lăng kính mới này trong một bài báo gần đây trên tạp chí Applied Physics Letters.

 Lăng kính mới được làm bằng siêu vật liệu, là các vật liệu nhân tạo có các tính chất không thường thấy trong các vật liệu tự nhiên. Trong trường hợp này, tính chất không điển hình là cấu trúc liên kết không cục bộ, đưa đến sự khúc xạ mạnh hơn các bước sóng dài hơn và cầu vồng đảo ngược.

 Như các nhà khoa học giải thích, các vật liệu tinh thể tự nhiên như thủy tinh và nước có cấu trúc cục bộ, trong đó các nguyên tử nằm riêng biệt tại các điểm lưới và chỉ tương tác chủ yếu với các nguyên tử láng giềng gần nhất của chúng. Ngược lại, các nguyên tử trong các siêu vật liệu mới được kết nối hoàn toàn với nhau bằng dây kim loại bắt chéo tạo ra cấu trúc không cục bộ. Trong cấu trúc không cục bộ này, phản ứng của mỗi nguyên tử với ánh sáng về cơ bản là bị ràng buộc (vướng víu) với những phản ứng của các nguyên tử khác, ngay cả những phân tử ở xa trong tinh thể.

 Phản ứng liên kết với nhau, không cục bộ này của các nguyên tử làm thay đổi cách siêu vật liệu phân tán các tần số khác nhau của ánh sáng, tạo ra một hiệu ứng được gọi là “tán sắc dị thường.” Điều không bình thường là chỉ số khúc xạ của vật liệu và do đó các góc truyền của ánh sáng, tăng lên khi tần số giảm. Điều này trái ngược với những gì xảy ra trong các giọt nước hay một lăng kính thủy tinh thông thường.

 Trong siêu vật liệu này, khi tần số của ánh sáng tăng thì góc truyền của ánh sáng giảm. Điều này có nghĩa là các bước sóng dài hơn khúc xạ nhiều hơn so với các bước sóng ngắn hơn, ngược lại những gì xảy ra trong vật liệu thông thường.

 Các nhà khoa học đã chứng minh trong cả thí nghiệm và mô phỏng việc siêu vật liệu không cục bộ này có thể tạo ra một cầu vồng ngược. Nguyên mẫu của họ bao gồm một chồng 297 bảng mạch được in bằng các dải kim loại rộng 0,25 mm để kết nối phản ứng của các nguyên tử. Mặc dù nguyên mẫu này chỉ hoạt động trong dải vi sóng, hiện tượng này cũng có thể được chứng minh trong các phần hữu hình khác của quang phổ trong các thí nghiệm trong tương lai.

 “Chúng tôi hiện đang tìm cách khám phá cách thực hiện vật liệu không cục bộ của chúng tôi tại các tần số quang học”, đồng tác giả, GS. Mario Silveirinha tại Đại học Coimbra, cho biết. “Điều này là khá thách thức từ quan điểm kỹ thuật, nhưng chúng tôi tin rằng có thể thực hiện được”.

 Bên cạnh việc tạo ra một cầu vồng ngược, siêu vật liệu này và tính chất tán sắc dị thường của nó có thể có những ứng dụng hữu ích khác. Một trong những ứng dụng đó là cải thiện các công cụ quang học bằng cách làm giảm biến dạng hình ảnh.

 “Do sự phân tán vật chất bình thường, các thấu kính thủy tinh đơn vật liệu thông thường không thể tập trung tất cả các thành phần quang phổ của ánh sáng vào cùng một điểm, ngay cả trong các trường hợp lý tưởng, nơi các ảnh hưởng của nhiễu xạ là không đáng kể,” Silveirinha nói. “Do đó, hình ảnh được tạo ra bởi một thấu kính thủy tinh có thể có biến dạng và trong trường hợp này, hệ thống quang học được cho là bị quang sai màu sắc.

 “Một khả năng thú vị được tạo ra bởi sự phân tán vật liệu dị thường là việc sửa quang sai màu sắc. Chúng tôi đã cho thấy bằng cách đậy nắp thấu kính thủy tinh thông thường với độ phân tán vật liệu bình thường bằng một siêu vật liệu thiết kế phù hợp với tán sắc dị thường, nó có thể ngăn chặn những tác động phân tán vật chất và loại bỏ quang sai màu sắc cho tất cả các bước sóng ánh sáng. Điều này có thể cung cấp một lộ trình thú vị để cải thiện các công cụ quang học nhạy với quang sai màu sắc. Các ứng dụng đầy hứa hẹn khác của siêu vật liệu không cục bộ này bao gồm dẫn sóng các bước sóng siêu nhỏ và tập trung bằng các thấu kính phẳng dựa trên khúc xạ âm”.