Các nhà vật lí tại trường Đại học California, Santa Barbara (UCSB), vừa nhìn thấy ánh sáng có nhiều màu sắc khác nhau từ hai laser trộn lẫn. Bằng cách chiếu những chùm laser tần số cao và tần số thấp vào một chất bán dẫn, các nhà nghiên cứu đã làm cho các electron bị tách khỏi lõi nhân của chúng, tăng tốc, sau đó lao trở vào phần lõi mà chúng để lại. Sự va chạm trở lại này tạo ra nhiều tần số ánh sáng đồng thời. Các kết quả của họ công bố trên số ra mới đây của tạp chí Nature.
“Đây là một hiện tượng rất nổi bật. Tôi chừng từng nhìn thấy bất kì cái gì giống như thế này trước đây,” phát biểu của Mark Sherwin, người có nhóm nghiên cứu đã tiến hành khám phá trên. Sherwin là giáo sư vật lí tại UCSB và là đồng tác giả của bài báo trên. Ông còn là giám đốc Viện Khoa học và Công nghệ Terahertz thuộc UCSB.
Khi chùm laser quang học tần số cao đi tới chất liệu bán dẫn – trong trường hợp này là cấu trúc nano gallium arsenide – nó tạo ra một cặp electron-lỗ trống gọi là một exciton. Electron mang điện âm, và lỗ trống mang điện dương, nên hai hạt kết hợp với nhau bởi lực hút tương hỗ của chúng. “Laser tần số cao tạo ra các electron và lỗ trống,” Sherwin giải thích. “Chùm laser electron tự do tần số thấp, cường độ rất mạnh tách các electron ra khỏi lỗ trống và làm nó tăng tốc. Khi trường tần số thấp dao động, nó làm electron đi trệch về phía lỗ trống.” Electron có năng lượng thừa vì nó đã tăng tốc, và khi đó lao trở vào trong lỗ trống, cặp electron-lỗ trống tái kết hợp phát ra photon ở những tần số mới.
Ảnh minh họa sự tái kết hợp electron-lỗ trống. Bức xạ hồng ngoại gần (thanh màu hổ phách) và bức xạ terahertz (hình nón màu vàng) tương tác với một giếng lượng tử bán dẫn (hình mái cờ). Bức xạ hồng ngoại gần tạo ra các exciton (ngói màu lục) gồm một electron âm và một lỗ trống dương (ngói màu lam sậm ở giữa ngói màu lục) liên kết ở trạng thái giống như nguyên tử. Trường terahertz cường độ mạnh hút các electron (ngói màu trắng) ra khỏi lỗ trống, sau đó lao trở lại phía nó (đường đi của electron biểu diễn bằng những elip màu lam). Các electron tái kết hợp đều đặn với các lỗ trống, tạo ra lóe sáng tuần hoàn (đĩa màu trắng giữa các thanh màu hổ phách). Ảnh: Peter Allen, UCSB
“Người ta đã khá quen thuộc với việc trộn laser và thu về một hoặc hai tần số mới,” Sherwin nói. “Nhưng việc thấy hết những tần số mới này, lên tới con số 11 trong thí nghiệm của chúng tôi, là hiện tượng hấp dẫn. Mỗi tần số tương ứng với một màu sắc khác nhau.”
Xét theo những ứng dụng thực tế, hiện tượng tái kết hợp electron-lỗ trống có tiềm năng làm tăng đáng kể tốc độ truyền dữ liệu và các quá trình truyền thông. Một ứng dụng có khả năng nữa là truyền đa thành phần – khả năng gửi dữ liệu vào nhiều kênh dẫn bội – và điều biến tốc độ cao.
“Hãy nghĩ tới dây cáp truyền Internet,” Ben Zaks, một nghiên cứu sinh vật lí và là tác giả đứng tên đầu của bài báo trên, phát biểu. “Dây cáp là một bó sợi quang, và bạn đang gửi một chùm sáng với bước sóng xấp xỉ 1,5 micron vào đường truyền. Nhưng bên trong chùm tia đó, có rất nhiều tần số phân cách nhau bởi những khe nhỏ, giống như một cái lược răng mịn. Thông tin truyền theo chiều này trên tần số này, và thông đi theo chiều kia sử dụng một tần số khác. Bạn muốn có nhiều tần số sẵn để truyền, nhưng chúng không được quá lệch xa nhau.”
Hiện tượng tái kết hợp electron-lỗ trống làm đáp ứng yêu cầu đó – nó tạo ra ánh sáng ở những tần số mới, với sự phân tách quang học giữa chúng.
Các nhà nghiên cứu sử dụng một laser electron tự do – một cỗ máy to bằng tòa nhà tại UCSB – để tạo ra sự tái kết hợp electron-lỗ trống, theo họ lưu ý là nó không thực tế đối với những ứng dụng thực. Tuy nhiên, trên lí thuyết, có thể sử dụng một transistor thay cho laser electron tự do để tạo ra những trường terahertz cường độ mạnh. “Khi đó transistor sẽ điều biến chùm tia hồng ngoại gần,” Zaks nói. “Dữ liệu của chúng tôi cho thấy chúng tôi đang điều biển laser hồng ngoại gần ở hai lần tần số terahertz. Đây là chỗ chúng tôi thật sự có thể nhìn thấy sự hoạt động này làm tăng tốc độ điều biến quang học, đó là cách bạn đưa thông tin vào đường truyền cáp quang.”
Hiện tượng tái kết hợp electron-lỗ trống tạo ra nhiều lộ trình nghiên cứu và khảo sát mới. Sherwin lưu ý: “Thật hấp dẫn vì có rất nhiều người có thể tham gia làm loại nghiên cứu này. Chúng tôi có trong tay một công cụ độc đáo – một laser electron tự do – mang lại cho chúng tôi lợi thế lớn trong việc khảo sát các tính chất của các chất liệu cơ bản. Chúng tôi vừa đặt nó vào trước những chùm laser của chúng tôi và đo lấy màu sắc của ánh sáng phát ra. Giờ thì chúng tôi đã nhìn thấy hiện tượng này, chúng tôi có thể bắt đầu làm việc cật lực để đưa các mẩu chất lên trên một con chip chung với nhau.”
Cũng góp công trong nghiên cứu trên là tác giả thứ hai của bài báo, R.B. Liu thuộc trường Đại học Hong Kong. “Đây là một ví dụ hay của giá trị của sự trao đổi thông tin giữa các nhà khoa học trên toàn cầu,” Sherwin nói. “Nếu chúng tôi chưa từng gặp nhau, thì nghiên cứu này sẽ không hề có.”
Alpha Physics – thuvienvatly.com
Nguồn: University of California - Santa Barbara (web)
