Phương pháp mới để biến đổi điện thành ánh sáng

Khi máy bay bắt đầu chuyển động nhanh hơn tốc độ âm thanh, nó tạo ra sóng xung kích dẫn đến sự "bùng nổ" quen thuộc của âm thanh. Giờ đây, các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và các nhà nghiên cứu ở Israel, Croatia và Singapo đã phát hiện ra một quá trình tương tự trong tấm graphene mà trong một số trường hợp, dòng điện vượt quá tốc độ ánh sáng giảm sút và tạo ra một dạng "bùng nổ" quang học: chùm ánh sáng hội tụ, cường độ cao. Phương pháp hoàn toàn mới để chuyển đổi nhanh và hiệu quả điện thành bức xạ nhìn thấy được có thể dẫn đến một loạt ứng dụng mới.

Phát hiện mới bắt đầu từ một quan sát thú vị. Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng khi ánh sáng tác động đến tấm graphene, một dạng 2 chiều của nguyên tố cácbon, nó có thể giảm tốc theo hệ số vài trăm. Các nhà khoa học nhận thấy đây là sự trùng hợp đáng chú ý. Các photon (hạt ánh sáng) di chuyển qua tấm graphene giảm tốc gần bằng tốc độ của các điện tử khi chúng di chuyển qua vật liệu tương tự.

Ido Kaminer, tác giả chính của nghiên cứu giải thích: Graphene có khả năng bẫy ánh sáng trong hiện tượng plasmon bề mặt. Plasmon là loại hạt ảo thể hiện dao động của các điện tử trên bề mặt. Tốc độ của các plasmon này qua graphene "chậm hơn vài trăm lần so với ánh sáng trong không gian tự do".

Hiệu ứng này trùng khớp với một số tính chất đặc biệt của graphene: Các điện tử di chuyển qua graphene với tốc độ rất cao, lên đến một triệu mét mỗi giây, tương đương khoảng 1/300 tốc độ ánh sáng trong chân không. Điều đó có nghĩa là hai tốc độ tương tự như nhau đủ để các tương tác lớn diễn ra giữa hai loại hạt, nếu vật liệu có thể được điều chỉnh để đạt vận tốc phù hợp.

Sự kết hợp của các thuộc tính đó làm giảm tốc độ ánh sáng và cho phép các điện tử chuyển động rất nhanh, là "một trong những đặc tính kỳ lạ của graphene". Điều đó cho thấy khả năng sử dụng graphene để gây hiệu ứng ngược lại: để tạo ra ánh sáng thay vì bẫy nó. Theo Marin Soljačić, Giáo sư vật lý, đồng tác giả nghiên cứu, nghiên cứu lý thuyết của họ cho thấy điều này có thể dẫn tới một phương pháp mới để tạo ra ánh sáng.

Cụ thể, GS. Soljačić giải thích: Chuyển đổi này có thể thực hiện được vì điện tử có khả năng đạt tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng trong graphene, phá vỡ “rào cản ánh sáng”. Việc phá vỡ rào cản âm thanh đã tạo ra sóng xung kích của âm thanh. Trong trường hợp của graphene, điều này dẫn đến sự phát xạ sóng xung kích của ánh sáng, bị mắc kẹt ở hai chiều.

Nhóm nghiên cứu đã khai thác hiệu ứng Čerenkov, được nhà vật lý người Nga Pavel Čerenkov mô tả lần đầu tiên cách đây 80 năm. Thường được kết hợp với hiện tượng thiên văn và được khai thác như là cách để phát hiện các hạt vũ trụ siêu nhanh khi chúng va chạm mạnh trong vũ trụ, ngoài ra còn phát hiện các hạt xuất hiện do các va chạm năng lượng cao trong máy gia tốc hạt, hiệu ứng này không được xem là có liên quan đến công nghệ Earthbound vì nó chỉ diễn ra khi các đối tượng di chuyển gần bằng tốc độ ánh sáng. Nhưng việc giảm tốc ánh sáng bên trong một tấm graphene mở ra cơ hội khai thác hiệu ứng này trên thực tế.

Có rất nhiều cách để chuyển đổi điện thành ánh sáng - từ các sợi vonfram nóng mà Thomas Edison đã hoàn thiện cách đây hơn một thế kỷ cho đến các ống huỳnh quang, các điốt phát sáng (LED) cung cấp năng lượng cho nhiều loại màn hình hiển thị và thắp sáng cho các hộ gia đình. Nhưng phương pháp mới dựa vào plasmon cuối cùng có thể trở thành một phần của các giải pháp thay thế hiệu quả, nhỏ gọn, nhanh chóng và dễ điều chỉnh hơn cho các ứng dụng nhất định.

Có lẽ quan trọng nhất, đây là cách để tạo ra plasmon hiệu quả và có kiểm soát trên phạm vi tương thích với công nghệ vi mạch hiện nay. Các hệ thống từ graphene này có tiềm năng trở thành linh kiện quan trọng trên chíp để chế tạo các mạch dựa vào ánh sáng, được xem là một hướng đi mới trong việc phát triển công nghệ máy tính cho các thiết bị ngày càng nhỏ và hiệu quả hơn.

Vấn đề mà các nhà nghiên cứu đang phát triển các chíp quang học phải đối mặt, đó là dù điện có thể dễ dàng được giới hạn bên trong dây dẫn, nhưng ánh sáng có xu hướng lan rộng ra. Tuy nhiên, bên trong lớp graphene, trong những điều kiện thích hợp, các chùm sáng bị giới hạn rất hiệu quả.

Phát hiện nghiên cứu này "là một khái niệm thật sự sáng tạo có tiềm năng là chìa khóa để giải quyết vấn đề tồn tại lâu dài để đạt được việc chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang hiệu quả cao và siêu nhanh” PGS. Jorge Bravo-Abad tại trường Đại học tự trị Madrid, Tây Ban Nha nói. Ngoài ra, ví dụ mới về phát xạ Čerenkov phát hiện bởi các tác giả nghiên cứu sẽ mở ra triển vọng nghiên cứu hiệu ứng Čerenkov trong các hệ thống kích thước nano, mà không cần đến những thiết lập thử nghiệm tinh vi. Phát hiện nghiên cứu chắc chắn sẽ có tại điểm giao thoa giữa vật lý và công nghệ nano.

N.P.D - NASATI (Theo Livescience)