Sự ra đời của tinh thể quang tử

David Lindley | Physics 6, 94 (2013)  |  DOI: 10.1103/Physics.6.94

Các cấu trúc tuần hoàn điều khiển photon, giống hệt như chất bán dẫn điều khiển electron, đã ra đời vào cuối thập niên 1980, qua một sự giao nhau phức tạp giữa thí nghiệm và lí thuyết.

Tinh thể quang tử, các cấu trúc cho phép các nhà nghiên cứu thao tác trên đường đi của bức xạ điện từ, đã đi từ khả năng lí thuyết đến hiện thực thí nghiệm trong khoảng thời gian vài năm trở lại đây. Hai bài báo đăng trên tạp chí Physical Review Letters, vào năm 1987 và 1991, được xem là điểm mốc ra đời của những cấu trúc mới này. Kể từ đó, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các vật liệu quang tử để dẫn hướng ánh sáng trong các dụng cụ ví dụ như sợi quang và đồng thời nhận ra rằng những vật liệu như thế tồn tại trong tự nhiên, ví dụ trong hệ vảy tạo nên màu sắc lộng lẫy của cánh bướm.

Vào thập niên 1980, Eli Yablonovitch, khi ấy làm việc tại Trung tâm Nghiên cứu Truyền thông Bell (nay là một cơ sở thuộc hãng Ericsson) ở Red Bank, New Jersey, đã lo ngại về những tổn thất ở laser bán dẫn và những dụng cụ khác phát sinh do ánh sáng phát ra ở những tần số không mong muốn. Trong một bài báo năm 1987 đăng trên Physical Review Letters, ông đã quan sát thấy rằng những tổn thất này không xảy ra trong một môi trường ngăn cản những tần số này truyền đi. Ông đề xuất rằng một môi trường như thế có thể được tạo ra bằng cách khắc những khoảng trống trong một vật liệu trong suốt để tạo ra một cấu trúc tuần hoàn, tương tự với một mạng tinh thể, với vật liệu và những khoảng trống có chiết suất khác nhau (nghĩa là tốc độ ánh sáng trong chúng khác nhau).

Cấu trúc ba chiều này làm bằng plastic là tinh thể quang tử đầu tiên từng được tạo ra, với một dải tần bị cấm trong vùng vi sóng. Các lỗ có đường kính 6 mm (chỉ một phần nhỏ của tinh thể được phô ra ở đây). Ảnh: E. Yablonovitch/Đại học California, Berkeley

Yablonovitch đưa ra một cái tương tự với chất bán dẫn, những chất có một “dải khe” năng lượng giữa các electron hóa trị - gắn liền với các liên kết hóa học – và các electron dẫn. Giống hệt như các electron có năng lượng thuộc miền khe trống không thể tồn tại trong chất bán dẫn, ánh sáng có tần số thuộc miền khe trống điện từ sẽ không tồn tại trong cấu trúc đã đề xuất. Trong mỗi trường hợp, cấu trúc tuần hoàn dẫn tới sự giao thoa sóng triệt tiêu (giao thoa sóng electron hoặc trường điện từ) dẫn tới khe trống.

Sajeev John thuộc trường Đại học Princeton, một cách độc lập, cũng đưa ra một đề xuất có liên quan đồng thời với Yablonovitch [1]. Yablonovitch, lúc này làm việc tại Đại học California, Berkeley, cho biết ông và John có gặp nhau để trao đổi về những ý tưởng của họ và quyết định sử dụng từ “tinh thể quang tử” để mô tả những cấu trúc có dải khe đối với sóng điện từ.

Nhằm nỗ lực tạo ra một tinh thể quang tử, Yablonovitch nghiên cứu vi sóng, thay vì ánh sáng nhìn thấy hay ánh sáng hồng ngoại, bởi vì bước sóng dài hơn của chúng cho phép ông phát triển các thiết kế tuần hoàn với khoảng cách vào cỡ vài milli mét. Vào năm 1989, sau khi kiểm tra nhiều khả năng khác nhau, ông và T. J. Gmitter đã công bố cái họ gọi là cấu trúc đầu tiên có một dải khe quang tử, gồm những cái lỗ hình cầu phân bố trên một khối plastic theo kiểu lập phương tâm diện (fcc) [2]. Yablonovitch và John đều thích cấu trúc đó, họ nghĩ rằng vì kiểu fcc gần như đẳng hướng, nên nó chặn bức xạ theo mọi hướng, và các phép đo có vẻ khớp như thế.

Bị thôi thúc bởi bài báo này, các nhà lí thuyết đã tìm cách áp dụng các phương trình Maxwell cho các cấu trúc quang tử. Tuy nhiên, ba phân tích của cấu trúc Yablonovitch-Gmitter cho thấy nó chỉ có một “khe giả”, nghĩa là ngưỡng tần số bị cấm thu về zero đối với những hướng nhất định của bức xạ [3,4]. Đó là một cú sốc, theo lời Yablonovitch, nhưng ông nhận ra rằng các phép đo của ông chưa đủ toàn diện.

Việc xây dựng một cấu trúc có dải khe đủ-chiều mất thêm hai năm nữa. Trong bài báo năm 1991 của họ, Yablonovitch và Gmitter được sự hợp tác của một trong những nhà lí thuyết từng phê bình công trình trước đây của họ, K. Ming Leung thuộc trường Đại học Bách khoa (nay là Viện Bách khoa trực thuộc Đại học New York). Đội của họ đã mô tả một cấu trúc, theo thí nghiệm lẫn lí thuyết, có một dải khe quang tử thật sự - một cấu trúc ngăn cản bức xạ theo mọi chiều.

Để tạo ra cấu trúc trên, đội của Yablonovitch đã khoan một loạt những cái lỗ xuyên qua một khối rắn plastic. Bắt đầu với một ma trận tam giác của những điểm mục tiêu ở mặt trên, họ khoan ba cái lỗ tại mỗi điểm, mỗi lần nghiêng đi 35^o so với phương thẳng đứng nhưng quay tròn theo phương ngang để có ba hướng cách đều nhau khi nhìn từ trên xuống. Kiểu phân bố đó hóa ra là một biến thể fcc liên quan đến cấu trúc tinh thể của kim cương, cái đã được đề xuất bởi một trong những phân tích lí thuyết trước đó để có một dải khe thật sự [4]. Đội đã thu được khe trống rộng nhất khi đường kính lỗ lớn đến mức thể tích bị khoan ra chiếm tới 78% tổng thể cấu trúc.

Mặc dù cần vài năm nữa thì tinh thể quang tử đầu tiên cho những bước sóng quang học mới được tạo ra [5], nhưng Yablonovitch xem bài báo năm 1987 của ông là sự kiện ra đời của tinh thể quang tử. John Joannopoulos thuộc Viện Công nghệ Massachusetts đồng ý rằng bài báo đó quan trọng vì đã “nêu ra ý tưởng”, mặc dù nó chẳng cung cấp bằng chứng của khái niệm. Trớ trêu thay, theo ông, chính cấu trúc sai hồi năm 1989 mới thu hút nhiều chú ý hơn và khiến các nhà lí thuyết nhảy vào, từ đó đưa tới dải khe quang tử thật sự đầu tiên. Trong những năm gần đây, các tinh thể quang tử đã được sử dụng cho một số mục đích, ví dụ như các sợi quang trong một số trường hợp giam cầm ánh sáng hiệu quả hơn sợi quang thông thường.

Tham khảo:

1. S. John, “Strong Localization of Photons in Certain Disordered Dielectric Superlattices,” Phys. Rev. Lett. 58, 2486 (1987).
2. E. Yablonovitch and T. J. Gmitter, “Photonic Band Structure: The Face-Centered-Cubic Case,” Phys. Rev. Lett. 63, 1950 (1989).
3. K. M. Leung and Y. F. Liu, “Full Vector Wave Calculation of Photonic Band Structures in Face-Centered-Cubic Dielectric Media,” Phys. Rev. Lett. 65, 2646 (1990); Z. Zhang and S. Satpathy, “Electromagnetic Wave Propagation in Periodic Structures: Bloch Wave Solution of Maxwell’s Equations,” Phys. Rev. Lett. 65, 2650 (1990).
4. K. M. Ho, C. T. Chan, and C. M. Soukoulis, “Existence of a Photonic Gap in Periodic Dielectric Structures,” Phys. Rev. Lett. 65, 3152 (1990).
5. S. Y. Lin, J. G. Fleming, D. L. Hetherington, B. K. Smith, R. Biswas, K. M. Ho, M. M. Sigalas, W. Zubrzycki, S. R. Kurtz, and Jim Bur, “A Three-Dimensional Photonic Crystal Operating at Infrared Wavelengths,” Nature 394, 251 (1998).