Màng mỏng có khả năng làm quay ánh sáng

Giản đồ thể hiện sự phân cực của ánh sáng có thể bị quay đi như thế nào khi ánh sáng đi qua một chất liệu trong sự có mặt của từ trường. (Ảnh: Viện Công nghệ Vienna)

Các nhà vật lí ở Áo và Đức vừa áp dụng hiệu ứng Faraday đến một thái cực mới bởi việc cho quay sự phân cực của ánh sáng đi 45^o bằng cách cho nó đi qua một màng cực mỏng. “Hiệu ứng Faraday khổng lồ” này một ngày nào đó sẽ có thể dùng để chế tạo các transistor quang học chuyển mạch ánh sáng hoặc cải tiến các hệ ghi ảnh terahertz.

Được Michael Faraday phát hiện ra vào năm 1845, hiệu ứng Faraday mô tả cách thức từ trường làm chuyển dịch sự phân cực của ánh sáng khi ánh sáng đi qua một môi trường. Khả năng làm quay ánh sáng của một chất liệu được xác định bởi hằng số Verdet của nó – lượng góc quay tính trên mỗi tesla cảm ứng từ trên mỗi mét chất liệu. Kỉ lục hiệu ứng Faraday mạnh nhất trước đây thuộc về chất bán dẫn indium-antimony, nó có hằng số Verdet vào khoảng 10⁴ radian/tesla.

Nay Andrei Pimenov và các đồng nghiệp tại Viện Công nghệ Vienna ở Áo và trường Đại học Würzburg vừa chứng tỏ rằng thủy ngân telluride có hằng số Verdet là 10⁶ radian/tesla – cái Pimenov đã mô tả là “bất ngờ”.

Phương pháp xếp lớp

Để nghiên cứu các tính chất quang học của thủy ngân telluride, đội nghiên cứu đã xếp lớp chất liệu trên lên một miếng mỏng cadmium-telluride, chất liệu không góp phần nào cho chuyển động quay Faraday. Sau đó, ánh sáng phân cực thẳng – với thành phần điện trường của nó dao động theo một hướng nhất định – được gửi vào trong mẫu.

Điện trường đang dao động làm cho các electron dẫn trong chất liệu trôi giạt tới lui. Khi thiết lập từ trường lên chất liệu, các electron chuyển động thành những quỹ đạo tròn. Những quỹ đạo này làm ảnh hưởng đến tốc độ mà ánh sáng phân cực tròn trái và tròn phải truyền qua chất liệu. Đây là hiệu ứng quay hướng phân cực.

Các nhà nghiên cứu đo hiệu ứng bằng cách cho ánh sáng ló ra đi qua một bộ lọc phân cực – hoặc sắp thẳng hàng với hướng phân cực ban đầu, hoặc vuông góc với nó. Khi không có từ trường, bộ phân cực thẳng hàng cho mọi ánh sáng đi qua, còn bộ lọc vuông góc chặn nó lại hoàn toàn. Tuy nhiên, khi từ trường tăng lên, ánh sáng đi qua bộ lọc thẳng hàng càng ít và ánh sáng đi qua bộ lọc vuông góc càng nhiều. Tỉ lệ ánh sáng truyền qua đối với mỗi sự sắp xếp cho các nhà nghiên cứu biết mức độ chùm tia đã bị điều chỉnh.

‘Chất liệu kì thú’

Đối với màng mỏng có bề dày chỉ 70 nm, chuyển động quay đạt tới cực đại khoảng 15^o với từ trường 1 tesla. Tuy nhiên, một lớp thủy ngân telluride dày 1 µm có thể làm quay ánh sáng hơn 45^o một chút. Sébastien Francoeur tại trường Bách khoa École ở Montreal đã gọi chất bán dẫn trên là “chất liệu kì thú” vì các electron có thể chuyển động những đoạn tương đối dài mà không bị tán xạ và các electron giảm bớt khối hiệu dụng – chúng hành xử như thể chúng chỉ ở mức 1/30 khối lượng thật sự của chúng. Francoeur cho biết những tính chất này là “những thành phần đặc biệt thu được trong hiệu ứng quang-từ khổng lồ này”.

Khối lượng hiệu dụng của các electron và cường độ từ trường giúp xác định tần số cyclotron của các quỹ đạo tròn. Khi chuyển động quay của ánh sáng là lớn nhất, thì tần số cyclotron ăn khớp với tần số của ánh sáng, cho thấy sự cộng hưởng này góp phần vào hiệu ứng Faraday khổng lồ.

Để khai thác hiệu ứng trên, các nhà nghiên cứu đề xuất một thiết kế transistor dùng cho điện toán quang học. “Sử dụng một từ trường ngoài, bạn có thể tắt hoặc mở sự truyền ánh sáng”, Pimenov phát biểu. Trong khi một transistor điện tử có cho một dòng điện đi qua hay không là tùy thuộc vào điện áp đặt vào nó, thì một lớp thủy ngân telluride giữa hai bộ phân cực thẳng sắp thẳng hàng sẽ cho ánh sáng đi qua khi không có từ trường, nhưng không cho ánh sáng đi qua khi có từ trường.

Để chế tạo dụng cụ này, đội khoa học sẽ cần làm xoắn ánh sáng đi 90^o thay vì chỉ có 45^o. Pimenov cho biết những lớp bội thủy ngân telluride, cách nhau bởi cadmium-telluride, sẽ có thể làm quay ánh sáng đi 360^o hoặc nhiều hơn nữa.

Các van một chiều

Với chuyển động quay đúng 45^o, hiệu ứng trên còn có thể dùng để tạo ra các van một chiều. Ánh sáng sẽ đi qua một bộ lọc thẳng và sau đó quay đi 45^o trên hành trình về phía trước của nó. Nếu bị phản xạ, nó sẽ xoay thêm 45^o nữa trên đường nó quay trở lại qua thủy ngân telluride. Giờ thì đã sắp vuông góc với bộ phân cực, cho nên nó không thể đi qua.

Hiệu ứng trên còn có thể dùng để thực hiện sự ghi ảnh terahertz và nghiên cứu quang phổ trong lĩnh vực sinh học phân tử, y khoa, và an ninh. Theo Francoeur, ánh sáng terahertz “rất khó dẫn hướng và việc thao tác tren trạng thái phân cực của nó thật sự là sự thách thức”. Hiệu ứng Faraday khổng lồ ở thủy ngân telluride mang lại một bổ sung mới cho hộp công cụ nghiên cứu trên.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Phys. Rev. Lett. 106 107404.

Nguồn: physicsworld.com