Sóng ánh sáng và sóng âm là nền tảng của sự truyền tải năng lượng và tín hiệu, và là cơ sở cho một số công nghệ căn bản nhất của chúng ta – từ điện thoại di động đến các loại động cơ. Tuy nhiên, cho đến nay các nhà khoa học vẫn chưa nghĩ ra được một phương pháp cho phép họ lưu trữ một sóng nguyên vẹn trong một khoảng thời gian vô hạn định, sau đó gửi chúng theo yêu cầu đến một địa điểm như mong muốn. Một phát triển như thế sẽ tạo điều kiện rất lớn cho khả năng kiểm soát các sóng cho nhiều công dụng như mong muốn, như khai thác năng lượng, điện toán lượng tử, theo dõi sự vẹn toàn cấu trúc, lưu trữ thông tin, và vân vân.
Trong một bài báo mới đăng trên Science Advances, một nhóm nhà nghiên cứu dưới sự chỉ đạo của Andrea Alù, giám đốc sáng lập của Sáng kiến Quang Lượng tử tại Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Cao cấp (ASRC), và Massimo Ruzzene, giáo sư Kĩ thuật Hàng không tại Viện Công nghệ Georgia, vừa chứng minh bằng thực nghiệm rằng người ta có thể bắt giữ một cách hiệu quả và lưu trữ một sóng nguyên vẹn sau đó hướng nó về phía một địa điểm nhất định.
“Thí nghiệm của chúng tôi chứng tỏ rằng các hình thức kích thích khác lạ mở ra những cơ hội mới để thu được sự điều khiển trên sự lan truyền và tán xạ sóng,” Alù nói. “Bằng cách điều chỉnh tỉ mỉ sự phụ thuộc thời gian của kích thích, ta có thể lùa con sóng vào lưu trữ hiệu quả trong một hộp cộng hưởng, sau đó giải phóng nó theo yêu cầu về một hướng như mong muốn.”
Bố trí thí nghiệm gồm một thanh dẫn sóng với một hộp hưởng và các kênh dẫn mạn bên. Trạng thái kích thích của các sóng đàn hồi lan truyền dọc theo thanh được cung cấp bởi các bộ truyền động áp điện đặt tại hai đầu hệ. Ảnh: Giuseppe Trainiti, Georgia Tech
Phương pháp luận
Để đạt tới mục tiêu của họ, các nhà khoa học phải nghĩ ra một cách làm thay đổi tương tác cơ bản giữa các sóng và vật liệu. Khi một sóng ánh sáng hay sóng âm gặp một vật cản, chúng hoặc bị hấp thụ một phần hoặc bị phản xạ và tán xạ. Quá trình hấp thụ dẫn tới sự biến đổi tức thời sóng thành nhiệt hoặc các dạng năng lượng khác. Những vật liệu không thể hấp thụ sóng chỉ làm phản xạ và tán xạ chúng. Mục tiêu của các nhà nghiên cứu là tìm ra một cách bắt chước quá trình hấp thụ mà không biến đổi sóng thành các dạng năng lượng khác, mà thay vậy lưu trữ nó ở trong vật liệu. Khái niệm này, đã được nhóm ASRC nêu ra trên lí thuyết hồi 2 năm trước, gọi là hấp thụ ảo kết hợp.
Để chứng minh lí thuyết của họ, các nhà nghiên cứu luận giải rằng họ cần phải điều khiển diễn tiến thời gian của sóng sao cho khi chúng đi tới tiếp xúc với các vật liệu phi hấp thụ, chúng sẽ không bị phản xạ, tán xạ, hoặc truyền qua. Điều này sẽ ngăn cản sóng đang chạm lên cấu trúc thoát trở ra, và nó sẽ bị bẫy lại một cách hiệu quả bên trong như thế nó bị hấp thụ. Sóng lưu trữ sau đó có thể được thả ra theo yêu cầu.
Trong thí nghiệm của họ, các nhà nghiên cứu truyền hai sóng cơ theo hướng ngược nhau dọc theo một thanh dẫn sóng bằng thép carbon chứa một hộp cộng hưởng. Sự biến thiên theo thời gian của mỗi sóng được điều khiển kĩ lưỡng để đảm bảo rằng hộp cộng hưởng sẽ cầm chân toàn bộ năng lượng đang chạm đến. Sau đó, bằng cách cho dừng kích thích hoặc làm mất điều hướng một trong hai sóng, họ có thể kiểm soát sự giải phóng năng lượng dự trữ và gửi nó về một hướng nhất định theo yêu cầu.
“Mặc dù chúng tôi cho chạy thí nghiệm chứng-minh-khái-niệm của chúng tôi bằng sóng đàn hồi truyền trong một vật liệu rắn, nhưng các kết quả của chúng tôi cũng có thể áp dụng cho sóng vô tuyến và ánh sáng, đưa đến những triển vọng hào hứng cho việc khai thác năng lượng hiệu quả, truyền điện không dây, quang lượng tử năng lượng thấp, và kiểm soát chặt chẽ hơn đối với sự truyền sóng,” Ruzzene nói.
Tham khảo: DOI: 10.1126/sciadv.aaw3255
Nguồn: PhysOrg.com
