Các nhà vật lý đề xuất phương pháp mới “bện xoắn” ánh sáng

Ánh sáng được bện xoắn có đặc tính “phi Abelian” đặc biệt, có nghĩa là các pha của nó sẽ phụ thuộc vào trật tự bắt buộc trong đó các sai hỏng được quấn quanh vào nhau.

Mới đây, chuyên gia vật lý Thomas Iadecola, Thomas Schuster, và Claudio Chamon thuộc trường Đại học Boston đã công bố công trình nghiên cứu về ánh sáng bện phi Abelia này trên tạp chí Physical Review Letters.

Theo giải thích của các nhà vật lý, ánh sáng được bện xoắn phi Abelian (non-Abelian braided light) là analogue quang học của một hiện tượng tương tự xuất hiện trong các hệ thống điện tử, đã được biết đến từ khoảng những năm 1980, có tên gọi là pha Berry phi Abelian (non-Abelian Berry phases), có thể tạo ra hiện tượng điện tử có các electron lan truyền qua để có được các sai hỏng topo như các luồng xoáy mà có thể quấn quanh vào nhau để tạo thành một dây bện xoắn tết chặt. Bên trong hiện tượng điện tử này, các trạng thái năng lượng bằng không (zero-energy states), được gọi là zero modes, vận chuyển các điện tích của toàn bộ điện tích electron, liên kết với các sai hỏng đã bện xoắn và hoạt động như các bộ dẫn hướng cho các điện tích truyền tải.

Nghiên cứu mới này đánh dấu lần đầu tiên các kiểu dao động bằng không (zero modes) có khả năng bện tết đã được chứng minh về mặt lý thuyết có sự tồn tại trong hệ thống quang học. Theo đó, các nhà nghiên cứu đề xuất một bộ dẫn sóng có thể điều chỉnh được trong các mô hình chứa luồng xoắn, ở nơi mà các vị trí đặc biệt của luồng xoắn bị ăn mòn trong môi trường quang hóa bằng lase femtosecond (laser femto giây). Mỗi luồng xoáy có thể “bẫy” một chùm ánh sáng, để cho ánh sáng định tuyến đường dẫn bện xoắn khi nó truyền xuyên qua môi trường.

“Ý nghĩa lớn nhất của nghiên cứu này là đã chỉ ra được sự tồn tại của các sai hỏng với bện xoắn phi Abelian trong quang học, thay vì hệ thống điện tử. Các sai hỏng này đáp ứng được nhu cầu lớn hoạt động trong luồng xoáy của hệ thống điện tử trạng thái rắn. Tuy nhiên, analogue quang học mà chúng tôi đề xuất trong nghiên cứu này có thể cung cấp hướng đi mới đối với quan sát các bện xoắn phi Abelian. Ưu điểm của hệ thống quang học này là chúng có mức độ chức năng dò tìm cao, cho phép một hệ thống nào đó điều chỉnh chính xác các đường đi của các sai hỏng trong khi bện xoắn”.

Trong cả hệ thống điện tử và hệ thống quang học, đặc tính phi Abelian của quá trình bện xoắn có nghĩa là tạo các bện xoắn như nhau trong theo một phạm vi trật tự khác nhau. Đặc tính phi Abelian bắt nguồn từ cấu trúc liên kết đã bện xoắn của các zero modes, và khác biệt với hầu hết các quá trình xử lý mà điện tích hoặc ánh sáng dẫn hướng, điều này không phụ thuộc vào sự sắp xếp các bước trong quá trình xử lý.

Theo Iadecola cho biết: “Thực tế là ánh sáng bện xoắn “hành xử” theo cách phi Abelian này rất thú vị bởi vì nó tạo thành một biểu hiện sống động của quang học trong vật lý. Các luồng xoáy sử dụng để “bẫy” ánh sáng và bện xoắn ánh sáng là các sai hỏng topo trong các mô hình trật tự của mạng dẫn sóng. Chúng tôi tin rằng nó có thể sử dụng các mạng dẫn hướng topo trong các phần tử mạch quang học. Đây là một hướng nghiên cứu mà chúng tôi đang quan tâm theo đuổi. Chúng tôi dự định làm việc với các nhà thực nghiệm trong lĩnh vực quang học dẫn sóng để tiến hành thử nghiệm lắp đặt phiên bản thí nghiệm chúng tôi đề xuất. Chúng tôi cũng muốn xác định các nền hệ thống quang học khác để có thể hỗ trợ các kiểu dẫn hướng topo mà chúng tôi đang nghiên cứu”.

P.T.T-NASATI (Theo Phys)