Thiết bị di động trong tương lai có thể sẽ không cần những đường nhựa chia ăng-ten như thế này nữa.Các nhà nghiên cứu tại đại học Cambridge đã tìm ra lời giải cho một trong những bí ẩn của điện từ học và điều này có thể khiến ăng-ten trở nên nhỏ hơn để có thể tích hợp vào chip điện tử.
Theo một báo cáo được đăng tải trên tờ Physical Review Letters, các nhà nghiên cứu cho rằng sóng điện từ được tạo ra không chỉ từ gia tốc của các electron mà còn xuất phát từ một hiện tượng có tên "phá vỡ đối xứng" (symmetry breaking). Khi điện tích điện tử đứng yên, tính đối xứng xuất hiện nhưng khi nó chuyển động, tính đối xứng bị phá vỡ tạo ra sóng điện từ. Do đó, các nhà nghiên cứu tin rằng phát hiện này sẽ mở ra những thiết kế ăng-ten siêu nhỏ, được tích hợp vào chip để dùng trên thiết bị điện tử thế hệ mới hoặc các thiết bị Internet of Things (IoT).
Dù là ăng-ten gì, trên trạm thu phát sóng hay điện thoại di động thì chúng đều có chung mục đích là nhằm phát năng lượng vào không gian dưới dạng sóng điện từ hay sóng vô tuyến và thu thập năng lượng từ không gian nạp vào thiết bị. Tuy nhiên, một trong những vấn đề lớn nhất đối với các thiết bị điện tử hiện đại là ăng-ten vẫn quá to và không tương thích với mạch điện tử vốn ngày càng nhỏ hơn qua thời gian.
Giáo sư Gehan Amartunga đến từ khoa kỹ thuật thuộc đại học Cambridge, lãnh đạo nghiên cứu cho biết: "Các ăng-ten hay dây ăng-ten là một trong những yếu tố hạn chế khi tích hợp vào các hệ thống nhỏ, kể từ khi kích thước của hệ thống ngày một nhỏ hơn thì ăng-ten lại trở nên quá lớn. Kích thước của một dây ăng-ten được xác định bởi bước sóng tương ứng với tần số truyền phát của ứng dụng và trong hầu hết trường hợp, người ta phải tìm cách thỏa hiệp giữa kích thước ăng-ten và các đặc tính đòi hỏi đối với ứng dụng."
Một trong những thách thức lớn với ăng-ten là những biến đổi vật lý tương ứng với bức xạ năng lượng thường không được nắm rõ. Theo Amaratunga thì đến nay vẫn chưa có một mô hình toán học rõ ràng mô tả hoạt động của ăng-ten trên thực tế. Hầu hết những gì chúng ta được biết về bức xạ điện từ xuất phát từ các học thuyết ban đầu được đề xuất bởi James Clerk Maxwell vào thế kỷ 19 trong đó nhấn mạnh rằng bức xạ điện từ được tạo ra bởi gia tốc electron.
Tuy nhiên, học thuyết này lại trở nên mơ hồ khi áp dụng với sóng vô tuyến phát ra từ một chất điện môi thể rắn – một loại vật liệu thông thường đóng vai trò là chất cách ly và điều này có nghĩa các electron không được di chuyển tự do thì làm sao có thể được gia tốc và tạo ra bức xạ điện từ.
Tiến sĩ Dhiraj Sinha cho biết: "Trong các ăng-ten điện môi, môi trường điện môi có hằng số điện môi cao và điều này có nghĩa tốc độ truyền của sóng vô tuyển giảm đi khi nó đi vào môi trường này. Những gì chưa được biết là môi trường điện môi tác động như thế nào đến sóng điện từ phát ra. Bí ẩn này đã đánh đố nhiều nhà khoa học và kỹ sư trong suốt hơn 60 năm qua."
Cùng với các nhà nghiên cứu đến từ phòng thí nghiệm vật lý quốc gia và công ty Antenova Ltd, nhóm nghiên cứu Cambridge đã sử dụng các tấm film mỏng được làm bằng vật liệu áp điện – một vật liệu cách ly có thể biến dạng hay rung động khi có điện áp đặt lên. Họ đã phát hiện ra rằng tại một tần số nhất định, các vật liệu này không chỉ cộng hưởng mà còn phát ra bức xạ và điều này có nghĩa nó có thể được dùng làm ăng-ten.
Các nhà nghiên cứu xác định rằng nguyên nhân gây nên hiện tượng này là do sự phá vỡ đối xứng của điện trường tương ứng với sự gia tốc electron. Trong vật lý, tính đối xứng là dấu hiệu của một đặc điểm bất biến của một khía cạnh cụ thể trong một hệ thống cụ thể. Khi điện tích điện tích điện tử không chuyển động, ta nói điện trường đối xứng.
Sự phá vỡ đối xứng có thể được áp dụng vào nhiều trường hợp, chẳng hạn như 2 sợi dây dẫn song song trong đó các electron có thể được gia tốc bằng cách đặt vào đó một dao động điện trường. Sinha đưa ra ví dụ: "Chẳng hạn như hệ 2 ăng-ten song song bị phá vỡ về mặt hình học, tính đối xứng của điện trường bị phá vỡ ngay lập tức khiến cho các dòng điện trường bức xạ ra ngoài."
Các nhà nghiên cứu nhận ra rằng khi đặt các tấm film mỏng bằng vật liệu áp điện vào một kích thích không đối xứng, tính đối xứng của hệ thống sẽ bị phá vỡ khiến tính đối xứng của điện trường cũng bị phá vỡ theo, qua đó sản sinh ra một bức xạ điện từ. Như vậy, bức xạ điện từ phát ra từ các vật liệu điện môi bắt nguồn từ sự gia tốc của electron trong các điện cực kim loại gắn lên vật liệu đúng theo học thuyết của Maxwell, kèm theo đó là sự phá vỡ tính đối xứng của điện trường.
"Nếu bạn muốn sử dụng các vật liệu này để truyền năng lượng, bạn sẽ phải phá vỡ tính đối xứng cũng như phải gia tốc các electron – đây là mảnh ghép còn thiếu trong học thuyết điện từ của Maxwell. Tôi không gợi ý rằng chúng tôi sẽ đồng nhất học thuyết nhưng các kết quả trên sẽ bổ sung sự hiểu biết về cách điện từ học và cơ học lượng tử liên quan đến nhau và phối hợp với nhau. Điều này sẽ mở ra hàng tá khả năng để khai thác," Amaratunga cho biết.
Các ứng dụng trong tương lai của phát hiện này rất quan trọng, không chỉ là công nghệ di động mà chúng ta dùng mỗi ngày mà sẽ bao gồm sự phát triển và vận dụng của IoT: điện toán ở khắp mọi nơi từ nhà đến công sở, từ lò nướng cho đến máy điều nhiệt, tất cả đều được kết nối Internet. Đối với các ứng dụng này, sẽ cần đến hàng tỉ thiết bị và mỗi thiết bị phải được trang bị các chip điện tử tích hợp ăng-ten siêu nhỏ. Đây sẽ là một bước tiến cực lớn hướng về thời đại IoT.
Vật liệu áp điện có thể được dùng dưới dạng film mỏng có thể là Lithium niobate, Gallium nitride và Gallium arsenide. Hiện tại các bộ khuếch đại và bộ lọc tín hiệu dùng vật liệu Gallium arsenide đã được thương mại trên thị trường và phát hiện trên sẽ mở ra nhiều phương pháp mới để tích hợp ăng-ten vào chip cùng như các thành phần khác của hệ thống.
Theo: Eurekalert
Phát hiện mới về điện từ học mở đường cho thiết kế ăng-ten siêu nhỏ tích hợp trong chip
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét