Ánh sáng dẫn đường từ nơi này đến nơi khác là xương sống của thế giới thông tin hiện đại của chúng ta. Cáp quang băng qua các đại dương sâu thẳm và các lục địa rộng lớn, mang theo ánh sáng chứa mọi thứ từ video clip YouTube đến chuyển khoản ngân hàng dưới dạng sợi mỏng như sợi tóc. Tuy nhiên, Giáo sư Jiwoong Park của Đại học Chicago muốn biết điều gì sẽ xảy ra nếu sợi được làm mỏng hơn và phẳng hơn - mỏng đến mức nó thực sự có dạng hai chiều thay vì ba chiều. Điều gì xảy ra với ánh sáng?
Các nhà khoa học tại Đại học Chicago đã phát hiện ra rằng một tinh thể thủy tinh chỉ dày vài nguyên tử có thể thu và mang ánh sáng -- và có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Sợi chỉ mỏng ở giữa tấm nhựa do đồng tác giả nghiên cứu Hanyu Hong nắm giữ chính là vật liệu này. Nguồn hình ảnh: Jean Lachat
Qua một loạt thí nghiệm sáng tạo, ông và nhóm của mình đã phát hiện ra rằng những lát tinh thể thủy tinh mỏng chỉ dày vài nguyên tử có thể thu giữ và mang theo ánh sáng. Không chỉ vậy, nó còn hiệu quả một cách đáng ngạc nhiên và có thể di chuyển một khoảng cách tương đối dài - một centimet, một khoảng cách rất xa trong thế giới điện toán dựa trên ánh sáng.
Giáo sư Jiwoong Park (trái) và nhà khoa học Hanyu Hong (phải) tại Phòng thí nghiệm Laser, nơi họ xác nhận rằng vật liệu này có thể mang ánh sáng - mặc dù nó nhỏ hơn ánh sáng. Nguồn hình ảnh: Jean Lachat
Nghiên cứu, được công bố gần đây trên tạp chí Khoa học, chứng minh về cơ bản mạch quang tử hai chiều và có thể mở đường cho các công nghệ mới.
Các tác giả chính của nghiên cứu, Viện James Franck và Trường Kỹ thuật phân tử Pritzker, Jiwoong Park, giáo sư và trưởng khoa Hóa học, cho biết: "Chúng tôi hoàn toàn ngạc nhiên trước sức mạnh của tinh thể siêu mỏng này; nó không chỉ có thể giữ năng lượng mà còn có thể truyền năng lượng xa hơn hàng nghìn lần so với bất kỳ ai từng thấy trong các hệ thống tương tự. Ánh sáng bị bẫy cũng hoạt động như thể nó đang truyền đi trong không gian hai chiều".
Đèn dẫn hướng
Hệ thống mới được phát minh là một phương pháp dẫn ánh sáng, được gọi là ống dẫn sóng, có bản chất hai chiều. Trong các thử nghiệm, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng họ có thể hướng ánh sáng dọc theo đường đi của con chip bằng cách sử dụng các lăng kính, thấu kính và công tắc cực nhỏ - tất cả các thành phần của mạch điện và điện toán.
Mạch quang tử đã tồn tại nhưng chúng lớn hơn và ba chiều hơn nhiều. Điều quan trọng là trong các ống dẫn sóng hiện có, các hạt ánh sáng – còn gọi là photon – luôn lan truyền bên trong ống dẫn sóng.
Trong hệ thống này, tinh thể thủy tinh thực sự mỏng hơn chính photon, do đó một phần của photon thực sự nhô ra khỏi tinh thể khi nó di chuyển, các nhà khoa học giải thích.
Giáo sư Jiwoong Park (trái) và nhà khoa học Hanyu Hong (phải) kiểm tra vật liệu trong phòng thí nghiệm của Park tại Đại học Chicago. Trong các thử nghiệm, họ có thể sử dụng các lăng kính, thấu kính và công tắc cực nhỏ để hướng ánh sáng dọc theo đường đi của chip - tất cả các thành phần của mạch điện và máy tính. Nguồn ảnh: Jean-Rachat
Nó hơi giống việc chế tạo một ống để vận chuyển vali trong sân bay so với việc đặt vali lên băng chuyền. Trên băng chuyền, các vali được để ngoài trời, bạn có thể dễ dàng quan sát và điều chỉnh trên đường đi. Cách tiếp cận này giúp việc chế tạo các thiết bị phức tạp từ tinh thể thủy tinh trở nên dễ dàng hơn vì ánh sáng có thể di chuyển dễ dàng qua thấu kính hoặc lăng kính.
Photon cũng có thể trải nghiệm thông tin tình hình trên đường đi. Hãy suy nghĩ xem, kiểm tra vali của bạn từ bên ngoài vào xem bên ngoài có tuyết không. Tương tự như vậy, các nhà khoa học có thể tưởng tượng việc sử dụng các ống dẫn sóng này để tạo ra các cảm biến ở cấp độ vi mô.
Park giải thích: “Giả sử bạn có một mẫu chất lỏng và bạn muốn cảm nhận sự hiện diện của một phân tử cụ thể. “Bạn có thể thiết kế nó sao cho ống dẫn sóng đi qua mẫu và sự hiện diện của phân tử đó sẽ làm thay đổi hành vi của ánh sáng”.
Các nhà khoa học cũng quan tâm đến việc xây dựng các mạch quang tử rất mỏng có thể xếp chồng lên nhau để tích hợp nhiều thiết bị nhỏ hơn trên cùng một khu vực chip. Tinh thể thủy tinh họ sử dụng trong các thí nghiệm này là molypden disulfide, nhưng nguyên lý này cũng áp dụng cho các vật liệu khác.
Mặc dù các nhà khoa học lý thuyết đã dự đoán rằng hành vi này sẽ tồn tại nhưng thực tế việc đạt được nó trong phòng thí nghiệm là một quá trình kéo dài nhiều năm, các nhà khoa học cho biết.
"Đây là một vấn đề cực kỳ thách thức nhưng thỏa mãn vì chúng tôi đã bước vào một lĩnh vực hoàn toàn mới. Do đó, mọi thứ chúng tôi cần đều phải do chính chúng tôi thiết kế—từ phát triển vật liệu đến đo cách ánh sáng di chuyển", Hanyu Hong, một nghiên cứu sinh và đồng tác giả đầu tiên của bài báo cho biết.