Hiệu ứng Doppler nghịch

Biểu đồ thể hiện hiệu ứng Doppler nghịch. Ánh sáng phát ra từ một nguồn đang chuyển động từ phải sang trái (vòng tròn màu đỏ và vàng) bị lệch xuống phía tần số thấp hơn (sóng màu đỏ) và được đo bởi một máy thu đứng yên theo hướng chuyển động (đĩa ở bên trái). Tuy nhiên, áp dụng chuyển động theo hướng ngược lại (sang phải) bị lệch sang tần số cao hơn (sóng màu xanh). Đây chính xác là cái ngược lại của hiệu ứng Doppler thông thường. (Ảnh: Nature Photonics)

Sự lệch Doppler của âm thanh hoặc sóng ánh sáng phát ra từ một nguồn đang chuyển động đã trở nên quen thuộc đối với các nhà vật lí cũng như những người khác. Nay các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc và Australia vừa nhìn thấy một sự lệch Doppler nghịch, kì lạ hơn, ở ánh sáng đi qua một chất liệu chế tạo từ những thanh silicon nhỏ xíu. Họ cho biết kết quả trên có thể làm tăng thêm công dụng của hiệu ứng Doppler trong mọi loại ứng dụng, từ thiên văn học cho đến y khoa.

Trong hiệu ứng Doppler thông thường, tần số của sóng phát ra, hay phản xạ khỏi, một vật đang chuyển động tăng lên khi vật đang chuyển động về phía người quan sát và giảm đi khi vật đang chuyển động ra xa. Đây là vì trường hợp thứ nhất sóng trở nên bị nén khi chúng truyền về phía người quan sát – và trong trường hợp sau thì sóng bị giãn ra.

Năm 1968, nhà vật lí Xô Viết Victor Veselago đã dự đoán rằng sóng điện từ truyền qua những chất liệu có hằng số điện môi âm và độ từ thẩm âm sẽ xảy ra hiện tượng ngược lại. Tần số sẽ giảm đối với nguồn đang chuyển động về phía người quan sát và tăng lên khi nguồn chuyển động ra xa. Đây là vì độ lớn của hiệu ứng Doppler tỉ lệ với chiết suất của môi trường mà sóng truyền qua. Trong khi chiết suất của không khí và những môi trường tự nhiên khác đều lớn (hoặc bằng) một, thì chiết suất của các chất liệu nhân tạo và Veselago xét đến có giá trị âm.

Hiệu ứng Doppler nghịch đã được hai nhà vật lí ở Anh quan sát thấy ở tần số vô tuyến vào năm 2003. Công việc này liên quan đến việc điều chỉnh tính chất phân tán của một đường dây truyền điện, sau đó cho phản xạ một xung vô tuyến khỏi một xung điện đang chuyển động bên trong dây và đo sự lệch tần số của sóng.

Hiệu ứng Doppler quang nghịch đầu tiên

Một đội khoa học hợp tác, đứng đầu là Songlin Zhuang ở trường Đại học Khoa học và Công nghệ Thượng Hải, và Min Gu ở trường Đại học Công nghệ Swinburne, Australia, đã nhìn thấy hiệu ứng trên ở tần số quang học. Các nhà nghiên cứu đã chiếu một chùm laser hồng ngoại qua một mạng lưới gồm các thanh silicon đường kính 2 µm gắn với một cái đế đang chuyển động và ghi lại sự lệch tần số của ánh sáng rời khỏi mạng. Là một tinh thể lượng tử, mạng lưới trên có dải khe năng lượng đặc trưng ngăn cấm sự đi qua của một ngưỡng hẹp bước sóng, và các nhà nghiên cứu cho biết bằng cách điều chỉnh công suất phát của laser của họ sao cho bước sóng của nó phù hợp với rìa của dải khe năng lượng thì họ có thể cho khúc xạ âm tính ánh sáng laser trên.

Cái khó là chứng minh rằng ánh sáng bị lệch Doppler nghịch khi nó đi qua tinh thể lượng tử trên. Không thể định vị trí nguồn và máy thu bên trong tinh thể, cho nên các nhà nghiên cứu phải tìm một phương pháp loại trừ sự lệch Doppler bình thường mà ánh sáng tuân theo khi nó truyền qua không khí bên ngoài mạng. Để làm việc này, họ sử dụng phép đo giao thoa. Họ tách chùm tia từ laser phát ra thành hai thành phần và điều chỉnh quang trình của chùm tia không đi qua tinh thể lượng tử sao cho nó chịu sự lệch Doppler thông thường giống như chùm tia đi qua tinh thể. Tần số phách thu được từ sự giao thoa của hai chùm tia cho biết sự lệch tần số chỉ là do hiệu ứng Doppler nghịch.

Theo Gu, thủ thuật là sắp xếp các thanh silicon sao cho đảm bảo chùm tia laser đi theo lộ trình đơn giản nhất qua tinh thể lượng tử đó. Tuy nhiên, cho biết, việc tính ra độ lệch Doppler nghịch như mong muốn là rất khó và do đó không thể so sánh lí thuyết với thí nghiệm được. Đội nghiên cứu cũng đã thực hiện thí nghiệm trên, sử dụng một lăng kính thủy tinh bình thường thay cho tinh thể lượng tử, và đã nhìn thấy sự lệch Doppler thường như trông đợi.

Những ứng dụng thực tiễn

Gu cho biết kết quả của nhóm ông có tầm quan trọng về mặt khoa học, một phần vì vai trò cơ bản của hiệu ứng Doppler trong vật lí học và một phần vì nó cung cấp thêm bằng chứng thực nghiệm cho hiện tượng khúc xạ âm mà người ta vẫn còn đang tranh luận. Ngoài ra, nghiên cứu mới này còn có những ứng dụng thực tiễn. Thí dụ, ông nói, nó có thể đưa đến những phân tích cải tiến của vòng tuần hoàn máu, với việc sử dụng hiệu ứng Doppler thuận lẫn hiệu ứng Doppler nghịch có khả năng chia đôi số phép đo phải thực hiện khi đo tốc độ của những dòng máu phức tạp.

Vladimir Shalaev tại trường Đại học Purdue ở Mĩ mô tả nghiên cứu trên là “một đột phá quan trọng” cho thấy “một hiện tượng cơ bản có thể tự biểu hiện như thế nào theo một kiểu khác thường”. Ông cho biết thí nghiệm trên “hơi khéo léo và thách thức về mặt kĩ thuật”, nó đòi hỏi phải đo độ lệch nhỏ xíu của tần số (khoảng chừng 10Hz, so với tần số trung tâm chừng 10¹³Hz). Và nhìn dưới góc độ ứng dụng thực tiễn, ông tin rằng nghiên cứu trên có thể áp dụng cho bất kì kĩ thuật nào hiện nay khai thác hiệu ứng Doppler thông thường, thí dụ như sự làm lạnh Doppler của các chất khí nguyên tử.

Tham khảo thêm tại Nature Photonics doi:10.1038/nphoton.2011.17.

Nguồn: physicsworld.com