Đại học Stanford phát triển công nghệ điều khiển ánh sáng bằng từ trường

Các nhà khoa học đã có thể bẻ cong đường đi của chùm sáng giống như chùm electron

Ngày nay các thiết bị và dụng cụ quang học đã phổ biến tới tất cả mọi người, từ những vật đơn giản như chiếc kính mắt hay tới những chiếc máy ảnh, camera, thiết bị chiếu chụp y tế... Cho dù có cấu trúc phức tạp hay đơn giản, gọn nhẹ hay cồng kềnh, chi phí ít hay đắt tiền, những thiết bị đó đều có các đặc điểm chung cơ bản là hoạt động dựa theo nguyên lý truyền thẳng và tính thuận nghịch của ánh sáng. Tuy nhiên trong tương lai có thể chúng ta sẽ được sớm chứng kiến các thế hệ thiết bị quang học hoàn toàn mới dựa trên tính truyền bất thuận nghịch của chùm photon hệt như chuyển động của electron (điện tử) trong từ trường. Công nghệ này vừa được các nhà khoa học tại Đại học Stanford danh tiếng phát triển thành công và theo họ mô tả nó sẽ mở ra khả năng sử dụng photon để thay thế electron trong hàng loạt vật liệu nano.

Photon-ánh sáng

Như chúng ta đã biết, bản chất của ánh sáng là sóng điện từ lan truyền trong không gian với bước sóng (tần số) nằm trong một dải nào đó, với ánh sáng khả kiến thì phổ bước sóng vào khoảng từ 0,4 micromet tới 0,75 micromet. Ngoài tính chất sóng, ánh sáng cũng có tính chất hạt, mà trong lý thuyết lượng tử người ta đặt cho các hạt này tên gọi photon. Kích thước của photon thế nào thì nó vẫn còn là một bí ẩn của vật lý, tuy nhiên, chúng ta biết rằng nó không có khối lượng (thực ra có thể nó có khối lượng cực kì nhỏ tới mức không ảnh hưởng lên những tính chất khác) và không mang điện.

Sự khúc xạ ánh sáng ở mặt biên giữa hai môi trường

Về mặt quang học, trong môi trường trong suốt và đồng tính, ánh sáng truyền theo đường thẳng. Tại mặt giao nhau của hai môi trường không trong suốt có chiết xuất khác nhau, ánh sáng có thể bị đổi hướng do các hiệu ứng điện từ xuất hiện ở mặt biên và người ta gọi đó là hiện tượng khúc xạ ánh sáng. Do vậy khi đi qua các môi trường khác nhau, đường truyền của ánh sáng bị gấp khúc tại nhiều điểm. Tuy nhiên, cho dù ánh sáng truyền từ điểm A tới điểm B với đường đi phức tạp thế nào thì nó cũng có thể truyền theo chiều ngược lại từ B tới A theo chính con đường đó, hiện tượng này được gọi là nguyên lý thuận nghịch của sự truyền sáng và người ta sử dụng nó để ứng dụng trên nhiều thiết bị quang học.

Qúa trình chuyển động bất thuận nghịch của electron trong từ trường

Trước hết thế nào là một quá trình bất thuận nghịch? Quá trình bất thuận nghịch là thuận ngữ dùng để mô tả những gì xảy ra một chiều mà không thể diễn ra theo chiều ngược lại. Ví dụ bạn thả một quả trứng xuống nền nhà và nó vỡ chứ không có chuyện quả trứng đang vỡ tự lành lại rồi bay từ nền nhà trở lại tay bạn. Tiếp theo dưới đây bạn sẽ hiểu tại sao người ta nói chuyển động của electron trong từ trường là một quá trình bất thuận nghịch.

Ở phổ thông chúng ta biết rằng bất cứ hạt mang điện nào chuyển động trong từ trường nó sẽ chịu tác động bởi một lực mà người ta người ta gọi là lực Lorentz. Phương và chiều của lực này được xác định nhờ quy tắc bàn tay trái: bạn đặt lòng bàn tay hứng các đường cảm ứng từ, sao cho chiều từ cổ tay tới các ngón tay chỉ chiều chuyển động của hạt mang điện, khi ấy phương của ngón tay cái choãi ra 90 độ chỉ phương của lực Lorentz. Chiều của lực Lorentz sẽ phụ thuộc vào điện tích của hạt chuyển động. Nếu hạt mang điện dương, chiều của lực trùng với chiều của ngón tay cái, còn nếu hạt mang điện âm, lực sẽ có chiều ngược lại. Do tác động của lực Lorentz, hạt mang điện chuyển động trong từ trường đều sẽ có dạng hình xoắn ốc.

Chuyển động của hạt mang điện khi có mặt từ trường sẽ có dạng xoắn ốc

Tiếp theo chúng ta xem xét một trường hợp đặc biệt hơn khi phương chuyển động của electron vuông góc với phương của từ trường. Lúc này lực Lorentz chỉ tác động theo phương vuông góc với phương chuyển động của electron và không làm thay đổi tốc độ của hạt. Kết quả là nó bẻ cong đường đi của hạt mang điện. Vì thế chúng ta có được một electron chuyển động đều theo một quỹ đạo tròn với bán kính xác định phụ thuộc vào độ lớn của từ trường (điện tích của electron cố định là -1,6*10^(-19) coulumb). Bây giờ nếu cho electron bay vào cùng khu vực từ trường đã nêu với cùng phuơng nhưng theo chiều ngược lại, liệu nó có chuyển động trên cùng quỹ đạo tròn như trên và ngược chiều hay không? Nếu bạn tiếp tục áp dụng quy tắc bàn tay trái, bạn sẽ thấy rằng kết quả là không, electron sẽ chuyển động trên một quỹ đạo tròn đối xứng với quỹ đạo ở trên qua phương chuyển động thẳng trước nó lúc đi vào vùng từ trường. Như vậy, khi đổi chiều electron không thể đi theo chiều ngược lại trên đường tròn mà nó đã đi ban đầu. Đó là lý do tại sao người ta gọi quá trình đó là chuyển động bất thuận nghịch.

Đại học Stanford tạo ra chuyển động bất thuận nghịch của photon trong từ trường

Kết quả đo đạc bán kính của photon khi nó chui vào hệ tinh thể quang học

Khác với electron, photon không mang điện nên khó có thể hình dung ra từ trường tác động lên nó ra sao. Tuy nhiên, việc thay đổi phương truyền của photon ở mặt biên của hai môi trường trong suốt có thể là một gợi ý tốt cho việc liên quan giữa tác động của từ trường lên photon theo một cách nào đó. Với mục đích điều khiển đường đi của ánh sáng, các nhà khoa học tại Đại học Stanford đã "đục" các lỗ cực nhỏ trên tấm silicon để biến nó thành một vật liệu tinh thể quang học có khả năng giam cầm hoặc giải phóng photon. Hệ thống các lỗ trên tấm silicon sẽ tạo thành mạng lưới dày đặc những mạch điện. Bằng cách điều khiển chính xác dòng điện chạy qua các mạch này, các chuyên gia có thể tạo ra một hệ từ trường đặc biệt và sử dụng nó để tác động lực lên photon. Họ gọi từ trường tổng hợp do các mạch điện sinh ra là "từ trường hiệu dụng".

Do công bố không chỉ rõ chi tiết phương thức tương tác của từ trường với photon diễn ra như thế nào nên ở đây mình không thể giải thích cặn kẽ cho các bạn được. Các chuyên gia chỉ cho biết, kết quả tác động của lực từ lên photon giống hệt như với electron. Tức là photon sẽ chuyển động theo các quỹ đạo tròn với bán kính xác định. Nhóm nghiên cứu cho biết thêm, bằng cách điều khiển vận tốc của photon trước khi đi vào tinh thể quang học ở trên (với các môi trường có chiết suất lớn, người ta có thể điều khiển photon chuyển động chậm ở tốc độ vài mét/giây) họ có thể hiệu chỉnh bán kính quỹ đạo của nó theo ý muốn.

Ý nghĩa của kết quả nghiên cứu tại Stanford

Việc các nhà khoa học thực hiện thành công thực nghiệm điều khiển chuyển động của photon giống như electron trong từ trường chứng tỏ việc truyền sáng có tính bất thuận nghịch chứ không phải hoàn toàn thuận nghịch như chúng ta biết. Điều đó có nghĩa là có sự khác biệt nhất định khi ánh sáng truyền theo một chiều nào đó và khi nó truyền theo chiều ngược lại trên cùng đường đi. Việc hiểu rõ phương thức tác động bất thuận nghịch như trên sẽ giúp chế tạo ra các thiết bị truyền sáng, thiết bị truyền tín hiệu mới như cáp quang thế hệ tiếp theo với khả năng mất mát thông tin tin và suy giảm tín hiệu ít, gần như không còn nhiễu do các hiệu ứng tán xạ ngược trên bề mặt cáp truyền. Do đó, chúng ta có thể trong đợi vào các hệ thống mạng với tốc độ nhanh hơn, băng thông cao hơn và ít bị nhiễu.

Thí nghiệm này cũng chỉ ra photon phải có một đặc trưng vật lý nào đó giống như điện tích trên electron (có thể người ta sẽ gọi nó là quang tích hay một tên gọi nào đó kiểu như vậy). Từ đó mở ra khả năng thay thế electron bằng các photon trong các loại vật liệu nano mới. Điều này sẽ giúp tăng tốc độ điều khiển, giảm kích thước các sản phẩm trong tương lai.

Nguồn: Stanford, Gizmag