Metamaterials

ในการทำวิจัยของอภิวัสดุแรกเริ่ม ผู้วิจัยส่วนใหญ่มุ่งเน้นวิจัยเกี่ยวกับวัสดุที่มีดัชนีหักเห (Refractive index: n) ที่มีค่าเป็นลบ (Negative refractive index) เนื่องจาก ดังนั้นดัชนีหักเหเป็นลบจึงเกิดจากค่าสภาพยอมทางไฟฟ้า (e) และค่าความซึมซาบแม่เหล็ก (m) เป็นลบทั้งคู่ (e < 0 และ m < 0) ซึ่งจะเรียกวัสดุนี้ว่า DNG (Double negative medium) เนื่องจากวัสดุ DNG มีคุณสมบัติตรงข้ามกับวัสดุส่วนใหญ่ในธรรมชาติซึ่งมีค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าและค่าความซึมซาบแม่เหล็กเป็นบวกทั้งคู่ (e > 0 และ m > 0) (Double positive medium: DPS) โดยแนวคิดของวัสดุเชิงซ้อนที่มีค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าและค่าความซึมซาบแม่เหล็กเป็นลบทั้งคู่ ได้รับความสนใจเป็นอย่างมาก ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1968 Veselgo [9] ได้ตั้งสมมติฐานและหาคำตอบเชิงทฤษฎีว่าเมื่อคลื่นระนาบเดินทางเข้าไปยังตัวกลางที่มีค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าและค่าความซึมซาบแม่เหล็กเป็นลบทั้งคู่จะเกิดผลอย่างไร ผลการศึกษาของเขาพบว่าทิศทางของพอยน์ติงเวกเตอร์ (Pointing vector) จะขนานกับทิศทางของความเร็วเฟสแต่มีทิศทางตรงกันข้าม (Anti-parallel) ซึ่งตรงกันข้ามกับกรณีที่คลื่นเคลื่อนที่ในตัวกลาง DPS เมื่อใช้คลื่นระนาบเดียวกัน (ทิศทางของพอยน์ติงเวกเตอร์ขนานและมีทิศทางเดียวกันกับความเร็วเฟส) สำหรับอภิวัสดุที่มีค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าและค่าความซึมซาบแม่เหล็กเป็นลบทั้งคู่มีการเรียกกันหลายชื่อ ไม่ว่าจะเป็น DNG มาจากค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าและค่าความซึมซาบแม่เหล็กเป็นลบทั้งคู่ NRI (Negative refractive index) มาจากคุณสมบัติของวัสดุที่มีมุมหักเหเป็นลบ LHM (Left handed medium) ปกติวัสดุทั่วไปจะใช้กฎมือขวาของปริมาณเวกเตอร์สามตัวคือ สนามไฟฟ้า สนามแม่เหล็ก และทิศทางของการเคลื่อนที่ แต่อภิวัสดุจะสอดคล้องกับการใช้กฎมือซ้าย BW (Backward wave) มาจากนิยามของ Veselgo เพราะทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นตรงกันข้ามกับทิศทางของพอยน์ติงเวกเตอร์และ NPV (Negative phase velocity) มาจากคุณสมบัติของคลื่นเมื่อเดินทางผ่านอภิวัสดุจะทำให้เวกเตอร์เฟสมีค่าเป็นลบรูปที่ 1 แผนผังสภาพยอมทางไฟฟ้าและค่าความซึมซาบแม่เหล็ก

นอกจากนี้วัสดุบางชนิดในช่วงความถี่หนึ่งอาจจะมีค่า e หรือ m มีค่าอย่างใดอย่างหนึ่งเป็นลบจะเรียกวัสดุเหล่านี้ว่า SNG (Single negative medium) โดยวัสดุที่มีค่า e เป็นลบเรียกว่า ENG (Epsilon negative medium) และ m เป็นลบ เรียกว่า MNG (Mu negative medium) แต่อย่างไรก็ตามยังไม่ปรากฏว่ามีวัสดุที่มีคุณสมบัติ DNG เกิดขึ้นเองธรรมชาติตามรายงาน ณ ปัจจุบัน ถึงกระนั้นอภิวัสดุก็สามารถทำให้วัสดุมีคุณสมบัติได้ทั้ง DNG SNG หรือ DPS นอกจากนี้คุณสมบัติที่ไม่ปกติของอภิวัสดุที่ได้รับความสนใจอย่างมากอีกอย่าง คือ วัสดุที่มีดัชนีหักเหมีค่าเป็นศูนย์หรือใกล้เคียงศูนย์ (Zero refractive index: ZRI or Near zero refractive index: NZI) จากดัชนีหักเห เพราะฉะนั้นกรณีที่ หรือ จะเกิดได้ทั้งหมดสามกรณี คือ1 ) เมื่อ หรือ ส่วน m มีค่ามากกว่าหรือเท่ากับหนึ่ง (μ ≥ 1) จะเรียกกรณีว่า ENZ (Epsilon near zero) 2) เมื่อ หรือ ส่วน มีค่ามากกว่าหรือเท่ากับหนึ่ง (ε ≥ 1) จะเรียกว่า MNZ (Mu near zero) และ 3) เมื่อ e = m = 0 จะเรียกว่า DZI (Double zero index) หรือกรณี และ จะเรียกกรณีว่า MENZ (Mu-Epsilon near zero) ถึงแม้ว่าทั้งสามกรณีจะมีค่า หรือ แต่เมื่อพิจารณาจะมีคุณสมบัติอย่างอื่นจะแตกต่างกัน เช่น ค่าอิมพีแดนซ์ของคลื่น ในกรณีของ ENZ จะพบว่า กรณีของ MNZจะมี และ จะเกิดในกรณีของ DZI ซึ่งอาจจะเรียกกรณีที่ ว่าเป็นวัสดุที่มีอิมพีแดนซ์เข้าคู่กับอิมพีแดนซ์ของคลื่นในอวกาศว่าง (Matched-impedance medium) ดังนั้น จากข้อมูลข้างต้นเราอาจจะอธิบายคุณสมบัติของวัสดุในระดับมาโครด้วยพารามิเตอร์ของค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าและค่าความซึมซาบแม่เหล็ก (e และ m) พารามิเตอร์ทั้งสองนี้สามารถนำมาแบ่งกลุ่มของวัสดุได้แสดงดังรูปที่ 1

จากคุณสมบัติพิเศษ (ไม่ปกติ) ของอภิวัสดุที่กล่าวมาในเบื้องต้น ดังนั้น จึงมีนักวิจัยนำคุณสมบัติต่าง ๆ เหล่านั้นไปประยุกต์ใช้ในแต่ละสาขา ถึงแม้ว่าอภิวัสดุจะเริ่มต้นจากศาสตร์ ของแม่เหล็กไฟฟ้าและแสง แต่ปัจจุบันก็มีหลายศาสตร์วิชาที่ทำวิจัยเกี่ยวกับอภิวัสดุไม่ว่าจะเป็น ฟิสิกส์โซลิตสเตรด (Physic solid state) วิทยาศาสตร์วัสดุ (Material science) นาโนเทคโนโลยี (Nano technology) เป็นต้น การประยุกต์ใช้งานของอภิวัสดุที่สำคัญและได้รับความสนใจอย่างมาก คือ เลนส์สมบูรณ์ (Perfect lenses) หรือเลนส์พิเศษ (Super-lenses) [10] เสื้อคลุมล่องหน (Cloak of invisible) [11] นอกจากนี้ยังมีผู้วิจัยนำเสนอการประยุกต์ใช้อภิวัสดุสำหรับรถที่เคลื่อนที่ด้วยตนเอง (Automobile) [12] สายอากาศก็เป็นสาขาหนึ่งในกลุ่มของการนำ อภิวัสดุมาประยุกต์ใช้งานอย่างแพร่หลาย [4]-[8] บทความนี้นำเสนอการทบทวน (Review) การนำอภิวัสดุมาประยุกต์ใช้สำหรับสายอากาศ รวมทั้ง แนวทางและแนวโน้มการทำวิจัยของอภิวัสดุสำหรับสายอากาศ เพื่อง่ายต่อการทำความเข้าใจ ผู้เขียนจะแบ่งกลุ่มตามการประยุกต์ใช้งานของอภิวัสดุสำหรับสายอากาศ ดังนี้

1. เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสายอากาศขนาดเล็ก

2. เพื่อใช้ในการออกแบบตัวนำประดิษฐ์ (Artificial conductors)

3. เพื่อใช้ในการออกแบบวัสดุฐานรอง (Substrate material)

4. เพื่อใช้ในการออกแบบชั้นวางซ้อน (Superstrate) หรือฝาครอบ (Radome)

5. เพื่อลดการเชื่อมต่อร่วมระหว่างสายอากาศในสายอากาศแถวลำดับและระบบ MIMO

6. เพื่อใช้ในการออกแบบสายอากาศคลื่นรั่วและเรโซเนเตอร์อันดับที่ศูนย์

7. เพื่อควบคลุมทิศทางลำคลื่น (Steering beam antennas)

เอกสารอ้างอิง

[1] C. Caloz and T. Itoh, Electromagnetic Metamaterials, Transmission Line Theory and Microwave Applications, Wiley-IEEE Press, 2005.

[2] G. V. Eleftheriades and K. G. Balmain, Negative Refraction Metamaterials: Fundamental Principles and Applications, Wiley-IEEE Press, 2005.

[3] N. Engheta and R. W. Ziolkowski, Electromagnetic Metamaterials: Physics and Engineering Explorations, Wiley-IEEE Press, 2006.

[4] R. Marqués, F. Martín, and M. Sorolla, Metamaterials with Negative Parameters: Theory, Design and Microwave Applications, Wiley Interscience, 2008.

[5] L. Solymar and E. Shamonina, Waves in metamaterials, Oxford : Oxford University Press, 2009

[6] F. Capolino, Applications of metamaterials, Boca Raton, FL : CRC Press/Taylor & Francis, 2009.

[7] F. Capolino, Theory and phenomena of metamaterials, Boca Raton, FL : CRC Press/Taylor & Francis, 2009.

[8] S. A. Ramakrishna and T. M. Grzegorczyk, Physics and applications of negative refractive index materials, Boca Raton, Fla ; London : CRC Press ; Bellingham, Wash. : SPIE Press, 2009.

[9] V. G. Veselago, “The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of permittivity and permeability,” Soviet Physics Uspekhi, vol. 10, no. 4, pp. 509–514. 1968.

[10] J. B. Pendry, “Negative refraction makes a perfect lens,” Physical Review Letters, vol. 85, no. 18, pp. 3966-3969, 2000.

[11] D. Schurig, J. J. Mock, B. J. Justice, S. A. Cummer, J. B. Pendry, A. F. Starr and D. R. Smith, “Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies,” Science, vol. 314, no. 5801, pp. 977 – 980, Nov. 2006.

[12] K. Sato, “Metamaterials and automotive applications,” Special Issue: Metamaterials and Automotive Applications, The R&D Review of Toyota CRDL, vol. 41, no. 4, 2006.