Chứng minh phân tử ánh sáng trên lí thuyết

Chưa phải là thời đại gươm ánh sáng, nhưng không hẳn là không thể. Một đội khoa học bao gồm các nhà vật lí lí thuyết thuộc Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kì (NIST) vừa tiến thêm một bước nữa hướng tới xây dựng các vật từ photon, và các kết quả gợi ý rằng các hạt ánh sáng không trọng lượng có thể liên kết thành một dạng “phân tử” với lực liên kết riêng của chúng.

Các kết quả xây dựng trên nghiên cứu trước đây mà một vài thành viên đội đã góp sức trước khi gia nhập NIST. Vào năm 2013, các cộng tác viên từ Harvard, Caltech và MIT đã tìm ra một cách kết hợp hai photon lại sao cho một hạt nằm trên hạt kia, chồng lên nhau khi chúng truyền đi. Minh chứng thực nghiệm của họ được xem là một đột phá, vì chưa có ai từng xây dựng cái gì đó bằng cách kết hợp hai photon – nó truyền cảm hứng cho một số người hình dung rằng thời đại của gươm ánh sáng đã sắp đến.

Các nhà nghiên cứu chứng minh được rằng hai photon, hai sóng trong hình minh họa này (trái và phải), có thể bị khóa lại với nhau, cách nhau một khoảng ngắn. Dưới những điều kiện nhất định, các photon có thể hình thành một trạng thái tương tự như một phân tử hai-nguyên tử, được minh họa bởi hành quả tạ màu xanh ở giữa. Ảnh: E. Edwards

Trong một bài báo đăng trên tạp chí Physical Review Letters, đội khoa học NIST và Đại học Maryland (cùng các cộng tác viên khác) vừa chứng minh trên lí thuyết rằng bằng cách nắn chỉnh một vài thông số của quá trình kết hợp, hai photon có thể truyền đi song hành bên nhau, cách nhau một khoảng nhất định. Sắp xếp này na ná như cách hai nguyên tử hydrogen liên kết với nhau trong phân tử hydrogen.

“Nó không hẳn là một phân tử, nhưng bạn có thể tưởng tượng nó có một loại cấu trúc na ná như thế,” phát biểu của Alexey Gorshkov thuộc đội NIST. “Chúng tôi đang tìm cách xây dựng các trạng thái phức tạp của ánh sáng mà, hóa ra, có thể lại xây dựng thành những vật phức tạp hơn. Đây là lần đầu tiên có người chứng minh được cách kết hợp hai photon cách nhau một khoảng hữu hạn.”

Trong khi các kết quả mới có vẻ là một bước tiến bộ đầy hứa hẹn – nếu chúng ta có thể xây dựng một phân tử ánh sáng, thì một thanh gươm ánh sáng tại sao lại không thể chứ? – nhưng Gorshkov cho biết ông không lạc quan chuyện bày bán gươm ánh sáng trong cửa hàng quà lưu niệm tại NIST. Lí do chính là vì việc kết hợp photon đòi hỏi các điều kiện cực kì khó tạo ra trong điều kiện trang thiết bị phòng thí nghiệm, chứ đừng nói đến cỡ một thanh gươm cầm tay. Tuy nhiên, có nhiều lí do khác để người ta tạo ra phân tử ánh sáng – khiêm tốn hơn gươm ánh sáng, nhưng không hẳn không có ích.

“Nhiều công nghệ hiện đại xây dựng trên ánh sáng, từ công nghệ truyền thông đến ghi ảnh phân giải cao,” Gorshkov nói. “Nhiều trong số chúng sẽ được cải thiện đáng kể nếu chúng ta có thể xử lí kĩ thuật các tương tác giữa các photon.”

Chẳng hạn, các kĩ sư cần một cách chế tạo chính xác các bộ cảm biến ánh sáng, và Gorshkov cho biết các kết quả trên có thể giúp người ta dễ dàng hơn trong việc tạo ra một “ngọn nến chuẩn” soi rõ số lượng chính xác photon tại một máy dò hạt. Có lẽ quan trọng hơn là đối với lĩnh vực công nghiệp, việc kết hợp và làm vướng víu các photon có thể giúp các máy vi tính khai thác photon làm bộ xử lí thông tin, một công việc mà các bộ chuyển mạch điện tử trong máy vi tính của bạn đang làm hiện nay.

Không chỉ mang lại một nền tảng mới cho việc xây dựng công nghệ máy tính, thành tựu trên còn có thể mang lại hiệu quả năng lượng. Tin nhắn di động và các dữ liệu khác hiện nay được truyền đi dưới dạng các chùm ánh sáng trong sợi cáp quang phải được biến đổi thành các electron để xử lí – một bước không hiệu quả làm lãng phí rất nhiều điện năng. Nếu quá trình truyền tải và xử lí dữ liệu có thể được thực hiện trực tiếp với photon thì sẽ tiết kiệm được rất nhiều năng lượng tổn hao này.

Theo Gorshkov, cái quan trọng là thử nghiệm lí thuyết mới trên thực tế ở phương diện lợi ích này và các lợi ích khác nữa.

“Đó là một cách hay và mới để nghiên cứu photon,” ông nói. “Chúng không có khối lượng và bay đi ở tốc độ ánh sáng. Việc làm chậm và kết hợp chúng lại có thể cho chúng ta thấy những cái mà trước đây chúng ta chưa biết về chúng.”

Nguồn: Physical Review Letters