Đề xuất topolariton - giả hạt nửa vật chất nửa ánh sáng

Giáo sư Gil Refael tại Caltech (Viện Công nghệ California) vừa đề xuất một loại giả hạt mới gọi là topolariton, chúng nửa là ánh sáng nửa là vật chất.

Các electron chuyển động trong chất bán dẫn sử dụng trong máy vi tính ngày nay tiêu hao năng lượng dưới dạng nhiệt do điện trở. Trường hợp này không xảy ra với tín hiệu ánh sáng, nhưng có thể có những nguyên nhân khác gây tiêu hao tín hiệu trong sự truyền sáng, ví dụ sự phản xạ ngoài ý muốn và sự tán xạ photon. Refael cho biết một loại giả hạt gọi là “topolariton” có thể làm giảm sự suy yếu tín hiệu như thế và tăng mức ổn định của các photon khi chúng chuyển động theo rìa của chất bán dẫn. Ông mô tả các topolariton và tính chất của chúng trong một bài báo công bố trên số ra tháng 7 năm 2015 của tạp chí Physical Review X.

Nghiên cứu của Refael tại Caltech tập trung vào các phương diện lượng tử của vật chất, bao gồm sự vướng víu lượng tử (trong đó các hạt lượng tử chia sẻ hành trạng chung bất chấp khoảng cách giữa chúng), điện toán lượng tử, và sự xuất hiện và kiểm soát các trạng thái lượng tử mới.

Các giả hạt như topolariton là những thực thể biểu hiện một số đặc trưng, nhưng không đầy đủ, của các hạt sơ cấp như các electron và các quark cấu tạo nên nguyên tử. Chúng được phân loại là hiện tượng nổi – những hiện tượng phát sinh từ hành trạng động lực học của một hệ – và chúng chỉ tồn tại bên trong vật liệu rắn. Một số ví dụ giả hạt bao gồm các phonon (các “gói” nguyên tử hay phân tử dao động tập thể), các soliton (các gói hay xung sóng đơn độc duy trì hình dạng của chúng khi chuyển động ở một vận tốc không đổi), và các exciton (hình thành khi một electron kết hợp với một lỗ trống, hoặc lỗ trống bỏ lại khi một electron rời khỏi một orbital hóa trị). Tương tác của các photon với exciton có thể hình thành nên một giả hạt khác gọi là polariton.

Trong một hội thảo tại Viện Thông tin Lượng tử hồi năm 2010, Refael và hai đồng nghiệp đã đi tới ý tưởng topolariton, một loại polariton có khả năng chảy theo một chiều theo rìa của các giếng lượng tử bán dẫn ấn trong các hộp cộng hưởng quang học. Giếng lượng tử và hộp cộng hưởng giam cầm các electron và photon chuyển động trong một mặt phẳng. “Chúng tôi đề nghị như vầy: bạn có thể lấy một chất bán dẫn đơn giản và một giếng lượng tử thường, và làm phát sinh một kích thích đặc biệt, đó là một lai tạp của một photon và một cặp electron-lỗ trống,” tức là polariton. “Chiếu ánh sáng ở tần số có thể đánh bật một electron ra khỏi trạng thái cân bằng và kích hoạt một polariton truyền đi trên rìa của hệ. Tương tác ánh sáng-vật chất trong trường hợp này tạo ra cái gọi là các trạng thái lượng tử tô-pô học không có mặt trong từng thành phần đã nói.”

Vì các topolariton nửa là vật chất nửa là ánh sáng, nên chúng có thể được dẫn hướng và kiểm soát bằng gương phản xạ hoặc các khe năng lượng quang lượng tử - các vùng trong môi trường quang học mà qua đó các photon không thể truyền qua. Ngoài ra, chiều của chuyển động topolariton có thể đảo ngược lại bằng cách thiết lập một từ trường. “Như vậy là giống như một bộ lọc ánh sáng một chiều, đem lại cách truyền thông định hướng với mức tổn thất năng lượng thấp nhất,” ông nói.

Các dụng cụ quang lượng tử hiện nay được sử dụng rộng rãi, và người ta trông đợi chúng cuối cùng sẽ thay thế các chất bán dẫn truyền thống trong nhiều ứng dụng. Chúng hiệu quả hơn và chính xác hơn, hoạt động tốt hơn trên cự li dài, và tiết kiệm năng lượng. Chúng còn ít bị nhiễu bởi các tác động bên ngoài như trường điện từ chẳng hạn. Khai thác các topolariton vào các dụng cụ như thế có thể đưa đến những cải tiến mới cho hiệu suất của chúng.

Tuy nhiên, từ lí thuyết đến ứng dụng thực tiễn là cả một quá trình lâu dài, Refael thừa nhận. “Chúng ta cần tạo ra một số ranh giới mới giữa thế giới quang lượng tử và thế giới điện tử,” ông nói. “Một thách thức là việc tạo ra các bộ dẫn sóng photon một chiều cho ánh sáng nhìn thấy. Các topolariton đem đến một lộ trình cho các dụng cụ như vậy sử dụng công nghệ bán dẫn truyền thống, và đồng thời có thể tác dụng như một vật trung gian giữa các dụng cụ quang lượng tử và dụng cụ điện tử - một bước cần thiết cho bất kì dụng cụ quang điện tử nào.”

Nguồn: PhysOrg.com, Physical Review