Sơ đồ mô tả sự quay Faraday trong Graphene. Ánh sáng tới truyền theo trục z (cũng là hướng của từ trường ngoài B), và phân cực theo hướng Y. Ảnh: Alexey Kuzmenko.
Sự phân cực của ánh sáng có thể bị quay đi một góc 6 độ khi nó truyền qua một lớp graphene đặt trong từ trường, theo ghi nhận của một nhóm các nhà vật lý quốc tế. Tính chất mới này của graphene là không mong đợi vì góc quay lớn thường xảy ra với các vật liệu có bề dày lớn hơn nhiều. Các nhà khoa học tin rằng, đặc tính mới được khám phá này của graphene có thể được ứng dụng trong các thiết bị bật tắt ánh sáng (switch light) bằng điện trường hoặc từ trường.
Thực tế, sự phân cực của ánh sáng bị quay đi khi truyền qua một môi trường với sự có mặt của từ trường không có gì là lạ. Vì ánh sáng phân cực tròn phải và trái có vận tốc truyền khác nhau nên khi cho ánh sáng phân cực thẳng truyền qua một môi trường như vậy, các thành phần phân cực trái và phải của ánh sáng sẽ thay đổi, kéo theo mặt phẳng phân cực của chùm sáng ló phải quay đi một góc nào đó.
Nhưng vì, góc quay Faraday, góc quay của vec-tơ cường độ điện trường trong mặt phẳng phân cực của tia sáng, tỉ lệ với bề dày cả vật liệu, nên với graphene, chỉ dày một nguyên tử, góc quay lớn là một kết quả bất ngờ. Alexey Kuzmenko và các đồng sự ở đại học Geneva đã phát hiện ra tính chất này, khi đo được góc quay của mặt phẳng phân cực một góc 0,1rad, tức là khoảng 6 độ.
Một bất ngờ "lớn"
Theo Kuzmenko, nhóm thí nghiệm sử dụng ánh sáng hồng ngoại để nghiên cứu hiệu ứng Hall lượng tử trong graphene. " Chúng tôi không mong đợi se nhìn thấy một góc quay lớn khi dùng graphene," Kuzmenko cho biết, "chúng tôi chỉ mong một góc quay khoảng 0,01rad, nhưng thay vào đó, lại là 0,1rad." Kết quả này đồng nghĩa với việc graphene có góc Faraday lớn hơn bất cứ một vật liệu nào khác, phá vỡ kỉ lục gần nhất khi sử dụng chất bán dẫn cũng với ánh sáng hồng ngoại với chênh lệch cách biệt, 10 lần!
Nhóm nghiên cứu đã tiến hành đo góc quay Faraday bằng cách cho ánh sáng hồng ngoại truyền qua một thiết bị lọc phân cực để tạo ra một chùm sáng phân cực thẳng. Kế đến, cho chùm sáng này truyền qua một mẫu graphene đặt trong từ trường vuông góc với bề mặt của mẫu. Chùm sáng ló tiếp tục được truyền qua một thiệt bị lọc phân cực thứ hai và đi vào một máy dò. Nếu sự phân cực ở hai thiết bị lọc được đặt lệch nhau 90 độ, máy dò sẽ không thu được chùm sáng nào cả. Nhưng nếu sự phân cực của ánh sáng đã bị quay khi truyền qua graphene, thì góc để không dò thấy ánh sáng ló sẽ bị quay đi một góc Faraday.
Quỹ đạo không bình thường
Các nhà vật lý tin rằng, góc quay lớn là hệ quả của việc electron hành xử như các hạt không khối lượng. Khi đặt trong từ trường, quỹ đạo chuyển động của các electron là các cyclotron, rất khác so với các vật liệu khác. Sự chuyển giữa các quỹ đạo của electron ảnh hưởng đến sự phân cực tròn của ánh sáng truyền qua vật liệu tạo thành từ các electron này và là nguyên nhân dẫn đến góc Faraday lớn đến như vậy.
Theo Kuzmenko, hiệu ứng này có thể được dùng để tạo các khóa chuyển đổi mà ở đó, ánh sáng chỉ có thể truyền theo một hướng duy nhất.
Một ưu điểm quan trọng khác trong việc chế tạo các thiết bị từ-quang từ graphene là hướng quay của góc Faraday có thể bị đảo ngược bằng cách đặt vào đó một điện trường. Trong khi, với các vật liệu khác, điều này xảy ra chỉ với từ trường, quá trình diễn ra chậm chạp và phức tạp hơn nhiều. Nguyên nhân, theo Kuzmenko, là ở tính đồng đều của graphene trong việc đảo dấu của các hạt mang điện từ âm sang dương bằng điện trường.
Tương lai của kỉ thuật photon và kỉ thuật quang điện
Andrea Ferrari, làm việc tại đại học Cambridge ở Anh quốc tin rằng, đặc tính quang học mới vừa được khám phá của graphene là bằng chứng rõ ràng cho thế hệ vật liệu mới dùng trong kỉ thuật photon (photonics) và kỉ thuật quang điện. "Hiệu ứng Faraday và hiệu ứng Kerr từ-quang được ứng dụng rộng rãi trong truyền tin quang học, lưu trữ dữ liệu và tính toán," "cùng với các tính chất khác của graphene, có thể dẫn đến các thiết bị ưu việt hơn nhiều."
Tuy nhiên, vẫn còn một vài trở ngại trong việc sản xuất các thiết bị như vậy trong thực tế. Một trong số đó, là cần khoảng 10 lớp graphene độc lập nhau để đạt được góc quay 45 độ, đòi hỏi trong các thiết bị thực tế. Một vấn đề khác nữa là, graphene hấp thụ ánh sáng hồng ngoại, dẫn đến việc mất tín hiệu trong thiết bị.
Xem thêm trên Nature Physics doi: 10.1038/NPHYS1816.
Theo physicsworld.com
Thới Ngọc Tuấn Quốc
