Các nhà vật lí tạo ra “phân tử ánh sáng”

Các nhà vật lí ở Mĩ đã tạo ra những “phân tử” đầu tiên gồm hai photon. Thí nghiệm của họ cho chiếu các cặp photon qua một chất khí nguyên tử cực lạnh, trong đó một tương tác hút làm các photon dính vào nhau và trở nên bị vướng víu cơ lượng tử. Bước đột phá này có thể cho phép máy tính thông thường và máy tính lượng tử mã hóa và xử lí thông tin bằng photon.

Việc làm cho các photon dính vào nhau chẳng đơn giản bởi vì bình thường chúng đi qua nhau mà không hề tương tác. Tuy nhiên, mỗi photon có một trường điện từ đi cùng có thể làm biến đổi môi trường xung quanh của nó. Những biến đổi này có thể ảnh hưởng đến những photon lân cận và tạo ra một tương tác hiệu dụng giữa chúng. Mặc dù hiệu ứng này thường hết sức nhỏ, nhưng các tương tác có thể đáng kể nếu môi trường được chọn lọc cẩn thận.

Các nhà vật lí đã thành công trong việc làm cho các photon tương tác với nhau. (Ảnh: iStockphoto/7io)

Chất khí lạnh

Trong nghiên cứu mới, một đội khoa học đứng đầu là Mikhael Lukin tại Đại học Harvard và Vladan Vuletić tại Viện Công nghệ Massachusetts đã tạo ra những tương tác mạnh giữa các photon bằng cách gửi chúng qua một chất khí gồm những nguyên tử rubidium được làm lạnh xuống tới một nhiệt độ chỉ vài độ trên không độ tuyệt đối. Thí nghiệm sử dụng ánh sáng laser lam với một bước sóng được chọn lựa cẩn thận là 479 nm, làm biến đổi các nguyên tử rubidium sao cho mỗi photon có thể chia sẻ một phần năng lượng của nó với một vài nguyên tử và tạo ra một “trạng thái Rydberg” tập thể. Trạng thái này giống như một nguyên tử Rydberg – trong đó một electron được kích thích lên một trạng thái năng lượng rất cao – nhưng thay vậy eelctron đó lại dùng chung cho vài nguyên tử.

Trạng thái Rydberg này truyền qua chất khí giống như một photon chậm với một khối lượng khác không và khi trạng thái tập thể đạt tới rìa bên kia của đám mây khí, thì photon lại hiện ra ở năng lượng ban đầu của nó. Tuy nhiên, khi một trạng thái Rydberg hình thành thì không thể có thêm trạng thái Rydberg được hình thành gần đó, nhờ một quá trình gọi là phong tỏa Rydberg. Vì thế, khi hai photon được chiếu vào chất khí liên tiếp thật nhanh, photon thứ nhất tạo ra một trạng thái Rydberg còn photon thứ hai thì không. Miễn là còn xét đến photon thứ hai, thì vùng trạng thái Rydberg có chiết suất khác với phần còn lại của chất khí, làm cho photon thứ hai vẫn ở gần photon thứ nhất khi chúng truyền cùng nhau trong chất khí lạnh. Kết quả là một trạng thái liên kết của hai photon – hay một phân tử - truyền trong chất khí nguyên tử lạnh.

Xuất hiện cùng nhau

Để theo dõi xu hướng đi bên nhau nhau này, đội nghiên cứu đã đo khoảng thời gian giữa lúc phát hiện photon thứ nhất và photon thứ hai trong cặp. Thay vì thấy photon thứ hai qua mặt photon trạng thái Rydberg chậm chạp, photon thứ hai lại có xu hướng hiện ra từ đám mây khí cùng lúc với photon thứ nhất. “Đó là một tương tác quang tử được trung chuyển bởi tương tác nguyên tử, làm cho hai photon này hành xử giống như một phân tử,” Lukin nói. “Cho nên khi chúng thoát khỏi môi trường đó, chúng có khả năng hành xử theo kiểu cặp đôi hơn là đánh lẻ.”

Đội nghiên cứu còn có thể chứng minh rằng các photon trong mỗi cặp bị vướng víu theo trạng thái phân cực của chúng. Các nhà nghiên cứu chứng minh bằng cách chiếu các cặp photon có một hướng phân cực nhất định vào chất khí lạnh. Khi các photon truyền qua môi trường đó, hướng phân cực của chúng thay đổi. Bằng cách đo tương quan giữa hướng phân cực của các photon, đội nghiên cứu đã có thể chứng minh rằng các photon đó bị vướng víu khi chúng tạo thành một phân tử.

Các phân tử quang tử

Việc tạo ra các tương tác giữa các photon không phải chỉ để cho vui; nó còn có thể đưa tới những máy tính nhanh hơn và hiệu quả năng lượng hơn sử dụng các xung sáng thay cho các xung điện để xử lí thông tin. Ngày nay, những hệ như vậy là không khả thi bởi vì các xung sáng trước tiên phải biến đổi thành các xung điện để xử lí rồi biến đổi ngược lại, thành ra rất kém hiệu quả. Nếu các xung sáng có thể được làm cho tương tác với nhau, thì người ta có thể chế tạo các cổng logic hoạt động hoàn toàn trên cơ chế quang học để xử lí thông tin.

Các phân tử photon còn giúp phát triển các máy tính lượng tử, chúng khai thác nguyên lí vướng víu để làm cho hai hạt tương quan mạnh hơn cơ học cổ điển cho phép. Trong khi các photon rất hiệu quả ở việc truyền tải các bit lượng tử (qubit) thông tin trên những cự li dài, nhưng thực tế chúng không tương tác với nhau khiến người ta khó chế tạo ra những cổng logic hoàn toàn quang học. “Nó sẽ có ích lợi gì thì chúng tôi chưa biết; nhưng nó là một trạng thái mới của vật chất, cho nên chúng tôi hi vọng những ứng dụng mới có thể xuất hiện khi chúng tôi tiếp tục nghiên cứu các tính chất của những phân tử quang tử này,” Lukin nói.

Tham khảo: http://dx.doi.org/10.1038/nature12512

Nguồn: physicsworld.com