Đột phá lớn về khoa học: Khám phá ra dạng mới của ánh sáng

Một trong những đặc tính có thể đo được của chùm ánh sáng đã được biết đến là xung lượng góc. Xung lượng góc là một bội số của hằng số Planck (hằng số Planck là một hằng số cơ bản của vật lý xuất hiện trong các bài toán của vật lý lượng tử). Cho đến nay, nó được cho rằng tồn tại ở trong tất cả các dạng của ánh sáng.

Mới đây, Tiến sĩ Vật lý Kyle Ballantine, Phó Giáo sư Paul Eastham (Đại học Dublin) và Phó Giáo sư John Donegan (Viện CRANN) đã làm sáng tỏ được một dạng mới của ánh sáng trong xung lượng góc của mỗi photon (hạt ánh sáng mà mắt thường có thể nhìn thấy được) chỉ có giá trị bằng một nửa. Sự khác biệt này, mặc dù rất nhỏ, nhưng cực kỳ quan trọng. Các kết quả của công trình nghiên cứu này đã được công bố trên Tạp chí Science Advances.

Bình luận về nghiên cứu này, trợ lý giáo sư Paul Eastham cho biết: “Chúng tôi quan tâm đến việc tìm ra cách thức chúng ta có thể thay đổi hành vi của ánh sáng, và làm thế nào để có lợi. Tôi thấy rất thú vị đối với kết quả từ nghiên cứu này, ngay cả đặc tính cơ bản này của ánh sáng mà trước đó các nhà vật luôn nghĩ là bất biến mà lại có thể thay đổi”.

Phó Giáo sư John Donegan cũng cho biết: “Nghiên cứu của tôi tập trung chủ yếu vào các quang tử nano (nanophotonic), đây là lĩnh vực nghiên cứu hành vi của ánh sáng trên phạm vi nanometer. Đặc điểm biểu thị của một chùm ánh sáng là màu sắc của nó hoặc chiều dài bước sóng và một lượng ít ‘họ hàng’ của nó được biết đến như xung lượng góc. Xung lượng góc có đo ánh sáng xoay bao nhiêu vòng. Đối với một chùm ánh sáng, mặc dù chuyển động theo một đường thẳng, nhưng nó cũng có thể quay xung quanh trục của chính nó. Do vậy khi ánh sáng từ gương đến mắt của chúng ta vào lúc buổi sáng, bằng cách này hay cách khác, mỗi hạt photon đều xoáy vào trong mắt. Khám phá của chúng tôi sẽ có tác động mạnh đối với các nghiên cứu sóng ánh sáng trên các bề mặt như thông tin liên lạc quang học an toàn”.

Giáo sư Stefano Sanvito, Giám đốc CRANN cho biết: “Chủ đề nghiên cứu ánh sáng luôn luôn là một trong những lĩnh vực nghiên cứu vật lý thú vị, cũng đã được ghi nhận là một trong những lĩnh vực vật lý được hiểu biết nhất. Khám phá này là một bước đột phá lớn đối với thế giới vật lý và khoa học. Tôi thực sự rất vui mừng khi một lần nữa chứng kiến CRANN và các nhà vật lý tại Trinity đã mang lại một kết quả nghiên cứu khoa học cơ bản điều mà đang thách thức sự hiểu biết của chúng ra trong lĩnh vực ánh sáng”.

Để có được kết quả nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng kết quả đã được phát hiện trong các nghiên cứu tương tự gần 200 năm trước đó. Vào những năm 1830, nhà toán học Rowan Hamilton và nhà vật lý Humphrey Lloyd đã phát hiện ra rằng, khi ánh sáng đi xuyên qua các tinh thể (pha lê) nhất định, tia sáng trở thành một hình trụ rỗng. Theo đó họ sử dụng hiện tượng này để tạo ra các chùm ánh sáng với cấu trúc tương tự như xoắn ốc. Bằng việc phân tích các chùm này trong phạm vi lý thuyết cơ học lượng tử, họ dự đoán rằng xung lượng góc của photin sẽ là bán nguyên (half-integer).Sau đó họ dùng một thiết bị được tạo dựng đặc biệt để kiểm tra lại dự đoán này, và cuối cùng họ đã đo được dòng xung lượng góc trong chùm ánh sáng.

Đây là lần đầu tiên các nhà vật lý đã có thể đo được sự thay đổi trong dòng này gây ra bởi các hiệu ứng lượng tử. Các thí nghiệm đã cho thấy chỉ có một sự dịch chuyển vô cùng nhỏ, bằng một nửa hằng số Planck, trong xung lượng góc của mỗi photon. Các giả thuyết vật lý từ những năm 1980 đã suy đoán rằng cách thức cơ chế lượng tử hoạt động đối với các hạt đó là tự do di chuyển trong phạm vi chỉ 2 hoặc 3 thứ nguyên. Họ cũng khám phá ra rằng số lượng tử của các hạt có thể là phân số. Nghiên cứu này đã cho thấy, lần đầu tiên các suy đoán đó là đúng với ánh sáng.

P.T.T - NASATI (Theo Phys)