Microlaser nhỏ nhất thế giới

Các nhà vật lí tại trường đại học ETH-Zurich (Thụy Sĩ) vừa phát triển một loại laser mới phá vỡ ranh giới của mọi khả năng: nó là laser bơm điện nhỏ nhất thế giới và một ngày nào đó có thể làm cách mạng hóa công nghệ chip máy tính.

Bộ phận chính của microlaser mới là bộ cộng hưởng điện, gồm hai tụ điện hình bán nguyệt nối với nhau qua một cuộn cảm (ở đây là ảnh chụp hiển vi điện tử quét). Cường độ màu sắc biểu diễn cường độ điện trường; còn bản thân màu sắc thì tiêu diễn sự phân cực. (Ảnh: ETH Zurich)

Mất một năm rưỡi để đi từ ý tưởng đến sự hiện thực hóa của nó; khoảng thời gian mà Christoph Walther, một nghiên cứu sinh tiến sĩ thuộc Nhóm Quang điện tử học Lượng tử tại trường ETH Zurich, trải qua nhiều ngày lẫn đêm không nghỉ tại phòng thí nghiệm FIRST. Đấy là vì cơ ngơi tiện nghi, tiên tiến của trường ETH Zurich đã mang lại cho ông những điều kiện lí tưởng để lập một kỉ lục mới trong ngành công nghệ laser: nhà vật lí trên đã nhập bọn với bốn đồng nghiệp và đã phát triển laser bơm điện nhỏ nhất thế giới tính cho đến nay.

Nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của nó

Nó dài 30 micromét – 30 phần triệu của một mét – cao 8 micromét và có bước sóng 200 micromét. Điều này khiến cho laser trên nhỏ hơn đáng kể so với bước sóng của ánh sáng mà nó phát ra – một thành tựu khoa học số một. Sau hết thảy, các laser thường không thể nhỏ hơn bước sóng của chúng, lí do là vì trong những laser thông thường, sóng ánh sáng làm cho một bộ cộng hưởng quang dao động – giống hệt như sóng âm làm trong hộp âm của đàn ghita. Khi làm như vậy, sóng ánh sáng về cơ bản “truyền” tới lui giữa hai cái gương. Nguyên tắc trên chỉ hoạt động nếu như hai cái gương lớn hơn bước sóng của laser. Hệ quả là các laser thông thường bị hạn chế bởi kích cỡ của chúng.

Những nhà nghiên cứu khác đã cố gắng đẩy lùi những hạn chế đó; “Nhưng bằng cách phát triển một khái niệm laser hoàn toàn mới, chúng tôi đã có thể tiến gần đến một giải pháp vượt dưới giới hạn đó”, Christoph Walther nói.

Lấy cảm hứng từ điện tử học

Trong khi phát triển khái niệm laser của họ, Christoph Walther và một số bạn bè thuộc nhóm của ông, dưới sự cố vấn của Jérôme Faist, vị giáo sư trưởng Viện Điện tử học Lượng tử ở trường ETH Zurich, đã được truyền cảm hứng bởi điện tử học. “Thay cho các bộ cộng hưởng quang thông thường, chúng tôi sử dụng một mạch cộng hưởng điện gồm một cuộn cảm và hai tụ điện”, Walther giải thích. Ánh sáng “bị bắt” một cách hiệu quả trong đó và cảm ứng thành những dao động điện từ tự duy trì tại chỗ sử dụng một bộ khuếch đại quang học.

“Điều này có nghĩa là kích cỡ của bộ cộng hưởng không còn bị hạn chế bởi bước sóng của ánh sáng và có thể, trên nguyên tắc – và đó là cái làm cho nó khá đặc biệt – thu nhỏ xuống bất kì kích cỡ nào mà bạn muốn”. Khía cạnh này làm cho microlaser đặc biệt hấp dẫn đối với các nhà sản xuất chip – là một thay thế quang học cho transistor. “Nếu chúng ta chế ngự được việc nhại theo các transistor có cùng kích cỡ bằng các microlaser, thì một ngày nào đó chúng có thể được sử dụng để chế tạo những con chip điện-quang với mật độ cực kì cao của các linh kiện điện và quang”, Christoph Walther nói. Có thể một ngày nào đó, những con chip này sẽ tăng tốc đáng kể sự trao đổi dữ liệu trên các bộ vi xử lí.

Tham khảo: Walther C, Scalari G, Amanti MI, Beck M, Faist J. Microcavity Laser Oscillating in a Circuit-Based Resonator. Science, 19/3/2010: Vol. 327. No. 5972, pp. 1495 - 1497. doi:10.1126/science.1183167

Theo PhysOrg.com