Các nhà vật lí thuộc Khoa Vật lí và Viện CRANN, Trinity College, vừa khám phá một dạng mới của ánh sáng, nó sẽ tác động đến nhận thức của chúng ta về bản chất cơ bản của ánh sáng.
Một trong những đặc trưng có thể đo được của một chùm ánh sáng được gọi là mômen động lượng. Cho đến nay, người ta cho rằng ở mọi dạng ánh sáng, mômen động lượng sẽ bằng một bội số của hằng số Planck (hằng số vật lí xác lập cấp độ của các hiệu ứng lượng tử).
Nay nghiên cứu sinh Kyle Ballantine và giáo sư Paul Eastham tại trường Trinity College và giáo sư John Donegan đến từ CRANN, vừa chứng minh một dạng mới của ánh sáng trong đó mômen động lượng của mỗi photon (một hạt ánh sáng) chỉ bằng một nửa giá trị này. Sự chênh lệch này, mặc dù nhỏ, nhưng nổi trội. Các kết quả mới được công bố trên tạp chí Science Advances.
Bình luận về công trình của họ, phó giáo sư Paul Eastham cho biết: “Chúng ta cảm thấy hào hứng trong việc tìm ra cách mà ta có thể làm thay đổi phương thức ánh sáng hành xử, và muốn biết điều đó có thể hữu ích như thế nào. Cái tôi cho là hấp dẫn ở kết quả này là ngay cả tính chất cơ bản này của ánh sáng, cái các nhà vật lí luôn luôn nghĩ là ổn định rồi, lại có thể thay đổi.”
Giáo sư John Donegan phát biểu: “Nghiên cứu của tôi tập trung vào quang lượng tử học nano, đó là lĩnh vực nghiên cứu hành trạng của ánh sáng ở thang bậc nano mét. Một chùm ánh sáng được đặc trưng bởi màu sắc hay bước sóng của nó và một đại lượng ít quen thuộc hơn gọi là mômen động lượng. Mômen động lượng là đại lượng đo mức độ quay của một cái gì đó. Đối với một chùm ánh sáng, mặc dù truyền đi theo đường thẳng nhưng nó cũng có thể quay xung quanh trục của nó. Vì thế khi ánh sáng đi từ gương đến mắt của bạn vào mỗi sáng mai, mỗi photon làm mắt bạn xoắn một chút, từng chút một.”
“Khám phá của chúng tôi sẽ có những tác động thật sự đối với việc nghiên cứu sóng ánh sáng trong các lĩnh vực như truyền thông quang học an toàn.”
Giáo sư Stefano Sanvito, giám đốc CRANN, phát biểu: “Đề tài ánh sáng luôn là một trong những đề tài yêu thích đối với các nhà vật lí, đồng thời cũng được xem là một trong những lĩnh vực vật lí được hiểu rõ nhất. Khám phá này là một bước đột phá đối với thế giới vật lí và khoa học. Bản thân tôi mong muốn một lần nữa chứng kiến CRANN và Khoa vật lí ở trường Trinity tiến hành nghiên cứu khoa học cơ bản làm thách thức nhận thức của chúng ta về ánh sáng.”
Để thực hiện khám phá này, đội nghiên cứu đã sử dụng một kết quả được khám phá cũng ở viện trên cách nay đã gần 200 năm. Vào thập niên 1830, nhà toán học William Rowan Hamilton và nhà vật lí Humphrey Lloyd đã tìm thấy rằng, khi đi qua những tinh thể nhất định, một tia sáng trở thành một ống trụ rỗng. Đội nghiên cứu đã sử dụng hiện tượng này để tạo ra các chùm ánh sáng với một cấu trúc kiểu đai ốc.
Phân tích các chùm sáng này trong khuôn khổ lí thuyết cơ học lượng tử, họ dự đoán mômen động lượng của photon sẽ là bán nguyên, và họ đã nghĩ ra một thí nghiệm kiểm tra dự đoán của mình. Sử dụng một dụng cụ được chế tạo đặc biệt, họ đã có thể đo dòng mômen động lượng trong một chùm ánh sáng. Họ còn có thể, lần đầu tiên, đo được các biến thiên trong dòng mômen động lượng này do các hiệu ứng lượng tử gây ra. Các thí nghiệm làm sáng tỏ một dịch chuyển nhỏ, bằng một nửa hằng số Planck, trong mômen động lượng của mỗi photon.
Kể từ thập niên 1980, các nhà vật lí lí thuyết đã suy đoán cơ học lượng tử hoạt động như thế nào đối với các hạt tự do chuyển động trong chỉ hai chiều của ba chiều không gian. Họ khám phá thấy điều này sẽ cho phép những khả năng mới lạ lùng, bao gồm cả những hạt có số lượng tử bằng phân số của những số mà người ta trông đợi. Công trình này cho thấy, lần đầu tiên, những suy đoán như vậy có thể hiện thực hóa với ánh sáng.
Tham khảo: K. E. Ballantine et al. There are many ways to spin a photon: Half-quantization of a total optical angular momentum, Science Advances (2016). DOI: 10.1126/sciadv.1501748
Nguồn: PhysOrg.com
