Đột phá trong chế tạo vật liệu siêu mỏng, các nhà khoa học Trung Quốc làm ánh sáng "đi chậm" hơn 10.000 lần

Các nhà khoa học từ lâu đã biết rằng trong một số trường hợp, ánh sáng có thể bị làm chậm lại. Nghiên cứu mới công bố gần đây đã đề xuất một phương pháp hứa hẹn trở thành một trong những cách tiếp cận hữu dụng nhất từ trước đến nay để đạt được điều này.

Nhóm nghiên cứu đến từ Đại học Quảng Tây và Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc là các tác giả của bước đột phá này. Nhưng dù tốc độ ánh sáng được làm chậm đến mức đủ để giúp bạn chạy nhanh hơn nó, bạn cũng đừng vội hy vọng đến việc quay ngược thời gian. Tuy nhiên, phương pháp này sẽ mang lại các lợi ích cho các lĩnh vực khoa học máy tính và liên lạc bằng quang học.

Ánh sáng có thể "phanh" lại như thế nào?

Trong chân không, ánh sáng di chuyển với tốc độ không đổi là 299.792 km/giây (khoảng 186.000 dặm/giây). Tuy nhiên, nếu chúng ta đặt một "hàng rào" trường điện từ trên đường đi của ánh sáng, chẳng hạn như trường bao quanh vật chất thông thường, thì tốc độ khủng khiếp này sẽ bắt đầu chậm lại.

Hầu hết các vật liệu trong suốt sẽ làm chậm ánh sáng một chút. Chính sự thay đổi tốc độ này khiến ánh sáng bị bẻ cong khi đi qua giữa hai môi trường khác nhau. Tuy nhiên, để thực sự "bóp phanh" cho ánh sáng, chúng ta cần đến các vật liệu đặc biệt như tinh thể photonic hoặc thậm chí là khí lượng tử siêu lạnh.

"Chúng tôi hy vọng công trình của mình sẽ mở ra một hướng đi hoàn toàn mới trong việc tạo ra tương tác ánh sáng-vật chất siêu mạnh trên các chip quang tử cấp độ nano", các nhà nghiên cứu viết trong nghiên cứu của mình.

Phương pháp mới dựa trên khái niệm "môi trường trong suốt cảm ứng điện từ" (EIT: electromagnetically induced transparency), khi sử dụng một cách tinh vi các đoạn laser để thao tác với những electron của loại khí trong môi trường chân không - về cơ bản là biến nó từ không trong suốt thành trong suốt.

Điều này có nghĩa là ánh sáng laser có thể đi qua, nhưng do cách nó được thao tác, nó cũng bị chậm lại. Đây là một thành tựu đáng chú ý đối với các nhà vật lý, nhưng phương pháp này cũng đồng nghĩa với việc mất đi một lượng lớn ánh sáng và năng lượng.

Bước đột phá về vật liệu mới

Để giảm thiểu sự mất mát này và cải thiện hiệu quả của toàn bộ hệ thống, các nhà nghiên cứu tận dụng một số nguyên tắc của EIT trong việc điều khiển ánh sáng và thiết kế một vật liệu mới để làm chậm ánh sáng. Đó là một loại vật liệu siêu bề mặt - một vật liệu tổng hợp có cấu trúc 2D phẳng với các tính chất không giống bất kỳ vật liệu nào trong tự nhiên.

Vật liệu siêu bề mặt này được nhóm nghiên cứu tạo ra từ các lớp silicon rất mỏng – tương tự như vật liệu làm chip máy tính hiện nay – và cho thấy chúng hiệu quả hơn nhiều so với các vật liệu hiện tại trong việc thu giữ và giải phóng năng lượng (trong trường hợp này là từ ánh sáng).

Dựa trên kết quả đo đạc thu được, ánh sáng có thể bị làm chậm hơn 10.000 lần trong hệ thống này. Đồng thời, tổn thất ánh sáng giảm hơn 5 lần so với các phương pháp tương tự trước đây.

Điểm mấu chốt của phương pháp mới nằm ở cách sắp xếp các thành phần nhỏ nhất cấu thành nên vật liệu siêu bề mặt này – được gọi là các siêu nguyên tử (meta-atom). Trong trường hợp này, về cơ bản chúng nằm ở gần nhau đến mức hòa trộn vào nhau, từ đó ảnh hưởng đến cách ánh sáng được xử lý khi đi qua.

Tác dụng của nghiên cứu này

Kết quả cuối cùng của tất cả những nghiên cứu khoa học phức tạp này là khả năng kiểm soát cách ánh sáng di chuyển tốt hơn. Vì ánh sáng đóng vai trò quan trọng trong rất nhiều lĩnh vực công nghệ, từ internet băng thông rộng đến chip quang học, điện toán lượng tử, nên có vô số ứng dụng tiềm năng.

Đây không phải là cách duy nhất được các nhà khoa học tìm thấy nhằm giúp làm chậm ánh sáng hơn nữa, khi trong tự nhiên điều này cũng có thể xảy ra khi ánh sáng đi qua các chất như nước, nhưng hiệu quả và khả năng mở rộng của nó khiến nó trở thành một lựa chọn hứa hẹn cho nghiên cứu sâu hơn.

"Với những phát hiện này, nghiên cứu của chúng tôi mở ra một con đường mới để điều chỉnh dòng ánh sáng trong các vật liệu siêu bề mặt", các nhà nghiên cứu viết.