Phát hiện này tập trung vào việc kiểm soát các cơn bão ánh sáng và trường điện từ nhỏ, có tiềm năng làm thay đổi lượng thông tin mà chúng ta có thể truyền tải qua đường dây cáp.

Phần lớn cuộc sống hiện đại phụ thuộc vào việc mã hóa thông tin thành phương tiện truyền tải. Một phương pháp phổ biến là mã hóa dữ liệu bằng ánh sáng laser và gửi qua cáp quang. Nhu cầu ngày càng tăng về dung lượng thông tin đòi hỏi chúng ta phải liên tục tìm ra giải pháp mã hóa tốt hơn.

Các nhà nghiên cứu tại Khoa Vật lý Ứng dụng của Đại học Aalto (Phần Lan) đã tìm ra phương pháp mới để tạo ra những cơn bão ánh sáng nhỏ (được các nhà khoa học gọi là xoáy) có thể mang thông tin. Phương pháp này dựa trên việc thao tác các hạt nano kim loại tương tác với trường điện và nó thuộc về một lớp hình học được gọi là bán tinh thể (nằm giữa trật tự và hỗn loạn). Phát hiện này đại diện cho một bước tiến cơ bản trong vật lý và mang tiềm năng cho những cách thức hoàn toàn mới để truyền tải thông tin.

Ở đây, xoáy giống như một cơn bão xảy ra trong chùm ánh sáng, trong đó một tâm điểm tĩnh lặng và tối được bao quanh bởi một vòng sáng chói. Giống như mắt của một cơn bão tĩnh lặng do gió xung quanh thổi theo các hướng khác nhau, mắt xoáy tối do trường điện của ánh sáng chói chỉ theo các hướng ở các phía khác nhau của chùm sáng.

Một nghiên cứu vật lý trước đây đã kết nối loại xoáy nào có thể xuất hiện với mức độ đối xứng trong cấu trúc tạo ra chúng. Ví dụ, nếu các hạt ở cấp độ nano được sắp xếp theo hình vuông thì ánh sáng tạo ra có một xoáy đơn, hình lục giác tạo ra xoáy đôi, v.v… Các xoáy phức tạp hơn yêu cầu ít nhất là hình bát giác.

Hiện tại, các nhà khoa học đã tìm ra phương pháp tạo ra những hình dạng hình học về mặt lý thuyết có thể hỗ trợ mọi loại xoáy. Nghiên cứu này tập trung vào mối quan hệ giữa tính đối xứng và tính quay của xoáy, tức là chúng ta có thể tạo ra loại xoáy nào với loại đối xứng nào.

Hình ảnh một dạng xoáy ánh sáng được tạo ra

Trong nghiên cứu của mình, nhóm đã thao tác 100.000 hạt nano kim loại (mỗi hạt có kích thước gần bằng một phần trăm sợi tóc của con người) để tạo ra thiết kế độc đáo của chúng. Chìa khóa nằm ở chỗ tìm ra nơi các hạt tương tác với trường điện mong muốn ít nhất thay vì nhiều nhất.

Một trường điện có các điểm nóng có độ rung cao và các điểm về cơ bản là chết. Nhóm nghiên cứu đưa các hạt vào điểm chết, giúp tắt mọi thứ khác và cho phép chọn trường có những đặc tính thú vị nhất cho các ứng dụng.

Phát hiện này mở ra một kho tàng nghiên cứu trong tương lai trong lĩnh vực nghiên cứu topo ánh sáng rất năng động. Nó cũng đại diện cho những bước đầu tiên để truyền thông tin mạnh mẽ trong các lĩnh vực mà ánh sáng là cần thiết để gửi thông tin được mã hóa, bao gồm cả viễn thông. Lấy ví dụ, chúng ta có thể gửi các xoáy này xuống cáp quang và giải nén chúng tại điểm đến. Điều này sẽ cho phép chúng ta lưu trữ thông tin vào một không gian nhỏ hơn nhiều và truyền nhiều thông tin hơn cùng một lúc. Một dự đoán lạc quan cho rằng lượng thông tin sẽ gấp 8 đến 16 lần lượng thông tin mà chúng ta hiện có thể truyền qua cáp quang. Chi tiết tham khảo tại:

Kristian Arjas, Jani Matti Taskinen, Rebecca Heilmann, Grazia Salerno, Päivi Törmä. High topological charge lasing in quasicrystals. Nature Communications, 2024; 15 (1) DOI: 10.1038/s41467-024-53952-5