Ánh sáng truyền như thể ‘không gian bị thiếu’

Sơ đồ siêu chất liệu chiết suất zero chứa bên trong một giao thoa kế Mach-Zehnder. (Ảnh: Đại học College London)

Các nhà nghiên cứu ở Anh và Mĩ vừa chế tạo ra một cấu trúc nano quang học cho phép ánh sáng truyền qua mà không tích lũy sự biến đổi pha – cứ như thể môi trường đó hoàn toàn biến mất trong không gian vậy. Dụng cụ trên có thể tìm thấy các ứng dụng trong lĩnh vực quang điện tử học, chẳng hạn, dùng làm một phương thức vận chuyển tín hiệu mà không cho phép thông tin bị bóp méo.

Hễ khi ánh sáng truyền qua một môi trường, nó chịu một sự dịch pha, vì từng dao động trở nên lệch pha với nhau. Trong những ứng dụng quang học nhất định, kể cả giao thoa kế, những sự biến thiên pha như thế này có thể mang đến sự tán sắc không mong muốn của các tần số. Hiệu ứng này có thể dẫn tới sự méo pha, cuối cùng làm giảm chất lượng của tín hiệu.

Vật liệu chiết suất zero

Nhưng trong nghiên cứu mới này, một đội đứng đầu là Serdar Kocaman, một nhà nghiên cứu kĩ thuật điện tại trường Đại học Columbia, đã tìm ra một phương pháp giải quyết vấn đề này. Nhóm của Kokaman đã thiết kế ra một phương pháp điều khiển sự tán sắc của ánh sáng bằng cách chế tạo một siêu chất liệu có chiết suất zero.

Dụng cụ trên bao gồm những tinh thể quang lượng tử, đó là những chất liệu có sự biến thiên tuần hoàn của hằng số điện mội, mang lại một dải khe quang lượng tử. Đội của Kokaman đã chế tạo các tinh thể quang lượng tử với tính chất khác thường là có chiết suất âm. Một hệ quả của tính chất quang này – không được tìm thấy ở nơi nào trong tự nhiên – là pha của ánh sáng truyền qua tinh thể quang lượng tử chảy theo hướng ngược với hướng của dòng năng lượng.

Dụng cụ gồm những lớp xen kẽ, dày chừng 2 µm, của tinh thể quang lượng tử này với chiết suất dương. Kết quả là pha của ánh sáng vẫn dao động nhưng khi nó ló ra khỏi dụng cụ thì nó chịu sự biến đổi pha toàn phần bằng zero, theo lời các nhà nghiên cứu giải thích trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature Photonics.

Thiếu hụt không gian

“Cái chúng tôi nhìn thấy là ánh sáng tán sắc qua chất liệu như thể toàn bộ không gian đó bị thiếu”, Kokaman nói. “Pha dao động của sóng điện từ thậm chí không biến đổi như trong chân không – đây là cái chúng tôi gọi là độ trễ pha zero”.

Dụng cụ mới có thể chế tạo trên một con chip silicon, dài một vài micron. Vì lí do này, nên các nhà nghiên cứu tin rằng có thể tích hợp vào các mạch quang điện tử. Nicolae Panoiu, một trong các nhà nghiên cứu tại trường Đại học College London, phát biểu rằng dụng cụ trên có thể dùng làm “gương hoàn hảo” để vận chuyển các tín hiệu quang bên trong một mạch điện.

Ông cho biết đội khoa học của ông đã sử dụng cấu trúc quang học trên để chế tạo một bộ lọc quang có thể dùng để chặn những photon có tần số nhất định. Nghiên cứu này, ông nói, sẽ được mô tả trong một bài báo sắp công bố.

Nguồn: physicsworld.com