Các nhà vật lí ở Tây Ban Nha và Anh quốc vừa tính toán được rằng graphene – một lớp carbon chỉ dày một nu – có thể dùng để chế tạo một vật hấp thụ ánh sáng hoản hảo nếu nó được pha tạp chất và cấu trúc thành một ma trận tuần hoàn. Công trình trên có thể giúp cải tiến các dụng cụ dò tìm ánh sáng, nhất là trong phần hồng ngoại của phổ điện từ, nơi những công nghệ hiện khó hoạt động.
Khẳng định trên cực kì hấp dẫn vì các chất liệu truyền thống thường cần dày đến hàng nghìn nguyên tử để hấp thụ hoàn toàn ánh sáng. “Việc dự đoán rằng một lớp chất liệu chỉ dày một nguyên tử có khả năng hấp thụ hoàn toàn ánh sáng là đáng chú ý và thú vị,” phát biểu của F Javier García de Abajo, lãnh đạo nhóm nghiên cứu tại Viện Quang học ở Madrid.
“Lớp nguyên tử đang nói là graphene được cấu trúc thành một ma trận tuần hoàn của những đĩa nano,” García de Abajo giải thích. Cấu trúc này hấp thụ ánh sáng bằng cách giam giữ nó trong những vùng nhỏ hơn hàng trăm lần so với bước sóng của ánh sáng. Việc giam giữ thực hiện được bằng cách khai thác các plasmon xảy ra bên trong từng cấu trúc đĩa nano. Plasmon là những dao động tập thể bị lượng tử hóa của các electron bên trong một đĩa nano – và chúng tương tác mạnh với ánh sáng.
Ảnh minh họa một tập hợp gồm những đĩa nano graphene đang hấp thụ ánh sáng. (Ảnh: F Javier Garcia de Abajo.)
Pha tạp bằng các điện cực
Sự giam cầm ánh sáng trong graphene chỉ có thể xảy ra nếu chất liệu được tích điện. Và bước sóng của ánh sáng có thể bị giam cầm và hấp thụ phụ thuộc vào chất liệu đã tích điện bao nhiêu. Còn gọi là sự pha tạp vì nó là một hiệu ứng tương tự với việc đưa tạp chất vào trong chất bán dẫn thông thường, sự tích điện dễ dàng thu được bằng cách đặt các điện cực ở gần graphene. Lượng tích điện khi đó có thể điều khiển bằng cách chỉnh điện áp đặt vào các điện cực.
Trong các phép tính của họ, đội khoa học đã nghiên cứu graphene cấu trúc như thế hấp thụ ánh sáng như thế nào trong vùng hồng ngoại gần đến hồng ngoại trung của phổ điện từ. Các nhà nghiên cứu cho biết chẳng khó khăn gì việc mở rộng những kết quả của họ cho những vùng bước sóng khác, về phía hồng ngoại trung và ngưỡng terahertz, chẳng hạn, bằng cách áp dụng trực tiếp các phương trình giải tích mà họ đã sử dụng. “Toàn bộ những vùng phổ này là đặc biệt hấp dẫn, với những ứng dụng tiềm năng trong việc ghi ảnh, cảm biến và dò tìm,” García de Abajo nói. “Chúng ta đang cần có những dụng cụ hấp thụ ánh sáng tốt trong vùng bước sóng này vì các máy dò hiện nay hoạt động khá tệ trong vùng này. Công trình của chúng tôi có thể cung cấp thêm một phương pháp bắt cầu qua ‘khe vực terahertz’ đáng hổ thẹn này.”
Khoảng cách chính xác vừa đủ
Các nhà nghiên cứu cho biết các đĩa nano có thể hấp thụ những lượng lớn ánh sáng vì những cấu trúc graphene riêng lẻ này được sắp xếp cách nhau một khoảng cách được biết rõ. Nếu chúng ở quá gần nhua, ánh sáng có thể bị phát xạ trở lại và có thể bị phản xạ. Mặt khác, ánh sáng sẽ bị hấp thụ không hiệu quả nếu các đĩa nano ở quá xa nhau. Cũng có thể thu được một hiệu ứng tương tự với những cấu trúc graphene khác, đặc biệt là những cấu trúc có dải mà theo các nhà nghiên cứu là dễ pha tạp hơn.
Ánh sáng cũng tạo ra những trường cảm ứng ở gần các đĩa nano. Những trường này gồm những sóng phù du – những sóng điện từ phân hủy nhanh theo hàm mũ từ cấu trúc lan ra. “Vì thế, cơ chế không phải là một hiệu ứng nhiễu xạ theo nghĩa cổ điển trong đó hai hoặc nhiều sóng đang lan truyền giao thoa và tạo ra các vân với kích cỡ hạn chế bằng khoảng một nửa bước sóng của ánh sáng,” García de Abajo nói. “Thay vậy, nó là một sự kết hợp.”
Đội nghiên cứu hiện đang lên kế hoạch khảo sát những hiệu ứng quang đặc biệt khác ở graphene – có khả năng tiến đến giới hạn lượng tử với những nghiên cứu về hiệu ứng của từng photon độc thân. “Chúng tôi cũng hi vọng phân tích thêm những chất liệu khác, ví dụ như những chất cách điện tô pô học, có thể tạo ra những hiệu ứng giống như vậy,” García de Abajo cho biết.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Physical Review Letters.
Hoài Ân – thuvienvatly.com
Theo physicsworld.com
