Chùm sáng xoáy – định luật Snell cần nâng cấp

Một nhóm nghiên cứu quốc tế vừa phát triển một phương pháp mới điều khiển ánh sáng bằng công nghệ nano. Kĩ thuật trên tập trung vào ranh giới giữa hai môi trường, như không khí và nước, xem bản thân ranh giới đó là một môi trường thứ ba. Điều này cho phép các nhà khoa học làm chủ những chùm ánh sáng phản xạ và khúc xạ theo kiểu không thể làm được với chất liệu tự nhiên, tạo ra “thiết kế ánh sáng”.

Các nhà khoa học, làm việc tại trường Đại học Harvard ở Mĩ, khẳng định khám phá của họ đã truyền cảm hứng cho họ nghĩ ra một biểu diễn tổng quát hơn của định luật Snell, định luật dự đoán đường đi xác định bởi một chùm ánh sáng truyền từ môi trường này sang môi trường kia. Kết quả này có thể giúp thiết kế những bộ phận quang học mới như thấu kính phẳng và kính phân cực.

Nanfang Yu và các đồng nghiệp đã tạo ra những hiệu ứng quang kì lạ, như những chùm sáng xoáy kiểu đinh ốc, bằng cách cho ánh sáng phản xạ khỏi một bề mặt phẳng đã xử lí cấu trúc nano. Hàng trên là ảnh thực nghiệm, hàng dưới là ảnh mô phỏng. (Ảnh: Nanfang Yu)

Tại ranh giới

khúc xạ xảy ra khi ánh sáng đi qua ranh giới giữa hai môi trường khác nhau, ở một góc nhất định nào đó. Theo lí thuyết quang học cổ điển, chính góc tới này và tính chất quang học của hai môi trường xác định góc khúc xạ và góc phản xạ. Nhưng nay Nanfang Yu và các đồng nghiệp thuộc nhóm nghiên cứu Capasso vừa chứng tỏ rằng nếu ranh giới đó có chứa những cấu trúc ở cấp bậc nano, thì những định luật này cần phải được nâng cấp.

khúc xạ thông thường xem ranh giới giữa hai môi trường là một mặt phân chia hai môi trường. “Cái thúc đẩy chúng tôi [nghiên cứu] là câu hỏi: ‘Tại sao không xem lớp tiếp giáp đó là một môi trường ‘hoạt động’ thứ ba?”, Yu nói, ông là trưởng nhóm tác giả của một bài báo công bố trên tạp chí Science. “Chúng tôi nhận thấy nếu chúng ta xây dựng cấu trúc lớp tiếp giáp một cách nhân tạo bằng công nghệ nano, thì nó có thể mang lại một độ lệch pha đột ngột và một sự trễ thời gian giữa chùm ánh sáng tới và các chùm phản xạ và khúc xạ”, ông giải thích.

Yu cho biết đây là lần đầu tiên có người thao tác với lớp ranh giới giữa hai môi trường trong chế độ quang học. “Thật thú vị, hàng thập kỉ trước, những người nghiên cứu trên vi sóng và sóng mili mét đã chứng minh cái gọi là “ma trận phản xạ” và “ma trận truyền qua” có thể định hình những chùm tia phản xạ và truyền qua. Mối liên hệ giữa nghiên cứu đó và các kết quả của chúng tôi là cả hai đều sử dụng sự biến đổi pha đột ngột đi cùng với các cộng hưởng anten”, Yu nói. Nhưng nghiên cứu đó không xét cấp độ nano và các cấu trúc có liên quan không thể xem là lớp tiếp giáp hay ranh giới vì khoảng cách giữa các thành phần ma trận là lớn hơn bước sóng.

Ánh sáng kì quái

Đội Harvard đã sử dụng những anten plasmon bằng vàng hình chữ V – hay các pixel – phân bố trên bánh xốp silicon dưới dạng những bộ cộng hưởng quang. Ma trận trên được cấu trúc trên một cấp bậc nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng tới, cho phép ranh giới đã xử lí kĩ thuật giữa không khí và silicon truyền một độ lệch pha đột ngột hay “sự gián đoạn pha” cho ánh sáng truyền qua. Yu trình bày rằng, trong khi nghiên cứu trước đây tập trung vào việc cải thiện các tính chất trường gần của anten quang học, thì nhóm của ông sử dụng “một tính chất có phần bị lãng quên của những cấu trúc như thế - phản ứng pha của chúng”. Độ lệch pha giữa ánh sáng tới và ánh sáng tán xạ biến thiên đáng kể trên một cộng hưởng anten. Bằng cách điều khiển các anten ở những điều kiện cộng hưởng khác nhau, họ thu được một ngưỡng rộng của độ lệch pha – và do đó, sự trễ thời gian. Thực tế thì mỗi anten bắt giữ ánh sáng tới, lưu giữ nó trong một thời gian cho trước và sau đó phát ánh sáng ra trở lại vào không gian tự do.

Lớp tiếp giáp của các nhà nghiên cứu được thiết kế từng pixel dưới dạng một dải bộ cộng hưởng quang, sao cho cấu trúc của ma trận xác định độ lệch pha. Làm như vậy, họ có thể thao tác lớp tiếp giáo để làm phản xạ hoặc khúc xạ theo những hướng bất kì, cho phép một mức độ tự do lớn trong việc “định hình” ánh sáng. “Thí dụ, ánh sáng đang đi tới ở một góc nào đó có thể bị phản xạ về phía nguồn sáng – chúng tôi gọi hiện tượng này là phản xạ “âm” vì chùm tia phản xạ thông thường hướng ra xa nguồn sáng”, Yu nói. Còn có sự khúc xạ “âm”, trong đó ánh sáng khúc xạ bẻ cong theo chiều “nghịch” so với dự đoán của định luật Snell. Yu cho biết có hai góc tới hạn cho sự phản xạ nội toàn phần, phụ thuộc vào hướng tương đối của ánh sáng tới và hướng của gradient độ trễ pha trên lớp tiếp giáp.

Trong hình trên, tia sáng đi tới vuông góc với bề mặt, từ dưới lên. Các bộ cộng hưởng ở bên trái giữ ánh sáng trong thời gian lâu hơn các bộ cộng hưởng ở bên phải một chút, nên đầu sóng (đường màu đỏ) truyền đi xiên góc. Không có ma trận trên, nó sẽ song song với bề mặt. (Ảnh: Nanfang Yu)

Trong một trong những thí nghiệm họ đã thực hiện, các nhà khoa học cho tia sáng đi tới vuông góc với bề mặt, từ dưới lên, trong đó ánh sáng tán xạ truyền đi xiên góc, thay vì vuông góc với bề mặt (đó là cách nó truyền đi tự nhiên), do cấu trúc biến theien của các anten (xem hình). Họ còn tạo ra một chùm sáng xoáy – một dòng ánh sáng xoắn hình đinh ốc – từ một bề mặt phẳng (xem hình).

Quang học tích hợp

Các nhà nghiên cứu hiện đang khảo sát những ứng dụng như thấu kính phẳng có thể hội tụ ảnh mà không cần một thấu kính ghép để hiệu chỉnh quang sai. “Ưu điểm của lớp tiếp giáp plasmon là nó nặn ra đầu sóng quang thích hợp sau khi ánh sáng đi qua nó, không giống như những bộ phận quang học thông thường như thấu kính khối, chúng hoạt động trên sự tích góp pha dần dần dọc theo quang trình để thay đổi đầu sóng của ánh sáng đang truyền. Ưu điểm này khiến thiết kế của chúng tôi thuận lợi cho quang học tích hợp”, Yu nói. Ông khẳng định rằng một số thiết kế của họ - như chùm sáng xoáy – hoạt động khá tốt nên họ thật sự không muốn những khó khăn chính trong việc chế tạo những bộ phận quang phẳng có ích trong ngưỡng bước sóng dài (hồng ngoại trung và hồng ngoại xa). Tuy nhiên, đối với ngưỡng bước sóng ngắn hơn, họ cần tìm một thiết kế bộ cộng hưởng phi kim loại tốt hơn.

Nguồn: physicsworld.com

Bài trước | Bài kế tiếp