Thế giới công nghệ thế kỉ 21 có rất nhiều tiến bộ trong lĩnh vực kĩ thuật điện, nhất là khả năng điều khiển tinh vi đối với dòng điện tích với những mạch điện ngày càng nhỏ và phức tạp. Và trong khi những tiến bộ kĩ thuật điện đó đang chạy đua nước rút, thì các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Pennsylvania lại đang thúc đẩy điện học theo một cách khác, họ thay thế điện bằng ánh sáng.
“Nhìn về sự thành công của điện tử học trong thế kỉ qua, tôi luôn tự hỏi tại sao chúng ta lại bị ràng buộc với dòng điện trong việc chế tạo các mạch điện,” phát biểu của giáo sư Nader Engheta tại trường Pennsylvania. “Nếu chúng ta chuyển sang những bước sóng ngắn hơn trong phổ điện từ - như ánh sáng – thì chúng ta có thể chế tạo những thứ nhỏ hơn, nhanh hơn và hiệu quả hơn nữa.”
Hình A. Khi mặt phẳng điện trường song song với các que nano thì mạch điện được nối song song.
Những sắp xếp và phối hợp khác nhau của những mạch điện tử có những chức năng khác nhau, từ những công tắc quang đơn giản đến những siêu máy tính phức tạp. Những mạch điện này lại được cấu tạo từ những sắp xếp khác nhau của những phần tử mạch điện, như điện trở, cuộn cảm và tụ điện, chúng điều khiển dòng electron trong mạch điện theo những kiểu chính xác về mặt toán học. Và bởi vì cả mạch điện tử và mạch quang đều tuân theo các phương trình Maxwell – những công thức cơ bản mô tả hành trạng của trường điện từ - nên giấc mơ của Engheta muốn chế tạo những mạch điện với ánh sáng không chỉ là chất liệu của trí tưởng tượng không thôi. Vào năm 2005, ông cùng các sinh viên của mình đã công bố một bài báo lí thuyết trình bày những phần tử mạch quang có thể hoạt động như thế nào.
Nay ông và nhóm của mình tại Penn vừa biến giấc mơ này thành hiện thực, chế tạo ra minh chứng vật chất đầu tiên của những phần tử mạch quang “cả mớ”. Đây là một mốc son trong lĩnh vực khoa học và công nghệ mới ra đời mà Engheta đặt tên là “metatronics” [tạm dịch là siêu điện tử học”].
Nghiên cứu của Engheta, thực hiện cùng với Yong Sun, Brian Edwards và Andrea Alù, công bố trên tạp chí Nature Materials.
Hình B. Khi mặt phẳng điện trường vuông góc với các que nano và khe trống thì mạch điện được mắc nối tiếp.
Trong điện tử học, tên gọi “cả mớ” ám chỉ những phần tử có thể xem là một hộp đen, cái có thể biến một input cho trước thành một output hoàn toàn có thể dự đoán trước mà không một người kĩ sư nào phải lo lắng về cái chính xác xảy ra bên trong phần tử đó mỗi khi anh ta thiết kế một mạch điện.
“Quang học luôn luôn có những phần tử tương tự của riêng nó, những cái như thấu kính, bộ dẫn sóng và cách tử,” Engheta nói, “nhưng chúng chưa bao giờ gom thành một mớ. Những phần tử đó đều lớn hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng vì chúng được chế tạo dễ dàng từ thời xa xưa. Đối với điện tử học, những phần tử mạch điện cả mớ luôn luôn nhỏ hơn nhiều so với bước sóng hoạt động thường nằm trong ngưỡng tần vô tuyến hoặc vi ba.”
Ngày nay, công nghệ nano đã mở ra khả năng cho các phẩn tử mạch quang cả mớ, cho phép xây dựng những cấu trúc có kích cỡ nano mét. Trong trường hợp thí nghiệm, cấu trúc là những ma trận kiểu tổ cái lược gồm que nano hình chữ nhật làm bằng chất silicon nitrite.
Từ “siêu” trong “siêu điện tử học” ám chỉ những siêu chất liệu, lĩnh vực nghiên cứu tương đối mới trong đó những khuôn mẩu và cấu trúc cỡ nano dìm trong những chất liệu cho phép xử lí sóng theo những kiểu trước đây là không thể. Ở đây, tiết diện của các que nano và khe trống giữa chúng tạo ra một khuôn mẩu nhại lại chức năng của điện trở, cuộn cảm, và tụ điện, ba trong những phần tử mạch điện cơ bản nhất, nhưng trong những bước sóng quang học.
“Nếu chúng tôi có phiên bản quang học của những phần tử cả mớ đó trong vốn tiết mục của mình, thì chúng tôi thật sự có thể đưa ra những thiết kế tương tự với cái chúng tôi làm trong điện tử học nhưng lúc này chúng hoạt động với ánh sáng,” Engheta nói. “Chúng tôi có thể xây dựng một mạch điện với ánh sáng.”
Trong thí nghiệm của họ, các nhà nghiên cứu chiếu lên các que nano một tín hiệu quang học, một sóng ánh sáng trong ngưỡng hồng ngoại trung. Sau đó, họ sử dụng quang phổ học để đo sóng khi nó đi qua cái lược. Lặp lại thí nghiệm sử dụng các que nano với chín kết hợp chiều dài và chiều rộng khác nhau, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng “dòng điện” và “điện áp” quang học bị biến đổi bởi điện trở, cuộn cảm và tụ điện quang học với các thông số tương ứng với những sự chênh lệch kích cỡ đó.
“Một đoạn que nano tác dụng vừa giống một cuộn cảm vừa giống một điện trở, và khe không khí tác dụng giống như một tụ điện,” Engheta nói.
Ảnh minh họa một ma trận que nano bằng silicon nitrite. Toàn bộ ma trận dài khoảng nửa mili mét.
Ngoài việc thay đổi kích cỡ và chất liệu cấu tạo nên các que nano, chức năng của những mạch quang này còn bị biến đổi bằng cách thay đổi sự định hướng của ánh sáng, khiến mạch siêu điện tử học có thể đạt tới những sắp xếp không thể có trong điện tử học truyền thống.
Đây là vì một sóng ánh sáng có sự phân cực; điện trường dao động trong sóng có một định hướng có thể chỉ rõ trong không gian. Trong metatronics, chính điện trường đó tương tác và bị thay đổi bởi các phần tử, vì thế việc thay đổi định hướng của trường có thể giống như việc nối lại dây của một mạch điện.
Khi mặt phẳng trường song song với các que nano, như trong Hình A, mạch điện được nối song song và dòng điện đi qua các phần tử đồng thời. Khi mặt phẳng điện trường vuông góc với que nano và khe trống, như trong Hình B, mạch điện được mắc nối tiếp và dòng điện tuần tự đi qua các phần tử.
“Sự định hướng như thế mang lại cho chúng tôi hai mạch điện khác nhau, đó là lí do chúng tôi gọi đây là “mạch stereo”, Engheta nó. “Chúng tôi còn có thể cho sóng ánh sáng đi xuyên góc với các que nano, và thu được cái chúng ta không có trong điện tử học thông thường: một mạch điện không mắc nối tiếp cũng không mắc song song mà là sự kết hợp của hai cách mắc.”
Nguyên lí này còn có thể đưa lên một mức độ phức tạp cao hơn nữa bằng cách chế tạo những ma trận que nano trong không gian ba chiều. Engheta và nhóm của ông đã thiết lập nền tảng cho loại metatronics phức tạp này.
“Một lí do nữa cho sự thành công trong điện tử học là phải làm với tính điều biến của nó,” ông nói. “Chúng ta có thể chế tạo một số vô hạn mạch điện phụ thuộc vào cách chúng ta sắp xếp những phần tử mạch khác nhau, giống hệt như việc chúng ta có thể sắp bảng chữ cái thành những từ, câu văn và đoạn văn khác nhau.”
Hoài Ân – thuvienvatly.com
Nguồn: Đại học Pennsylvania (web)
