Ánh sáng truyền đi rất nhanh giúp cho việc trao đổi thông tin trở nên nhanh chóng, nhưng khi ánh sáng lướt qua vật liệu, cơ hội để các nguyên tử và phân tử tương tác và bị kích thích có thể trở nên rất nhỏ. Nếu các nhà khoa học có thể hãm được các hạt ánh sáng, hoặc photon, nó sẽ mở ra cánh cửa cho một loạt các ứng dụng công nghệ mới.

Giờ đây, trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature Nanotechnology vào ngày 17/8, các nhà khoa học Stanford đã chứng minh một cách tiếp cận mới để làm chậm ánh sáng một cách đáng kể, giống như một buồng dội âm giữ âm thanh và định hướng nó theo ý muốn. Các nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Jennifer Dionne, phó giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu tại Stanford, đã cấu trúc các chip silicon siêu mỏng thành các thanh kích thước nano để bẫy cộng hưởng ánh sáng và sau đó giải phóng hoặc chuyển hướng nó. Các bộ cộng hưởng này có thể dẫn đến những cách thức mới để thao tác và sử dụng ánh sáng, bao gồm các ứng dụng mới cho tính toán lượng tử, thực tế ảo và tương tác thực tế (augmented reality), WiFi dựa trên ánh sáng, và thậm chí cả việc phát hiện các loại virus như SARS-CoV-2.

Trước khi họ có thể điều khiển ánh sáng, các bộ cộng hưởng cần phải được chế tạo và điều đó đặt ra một số thách thức. Thành phần trung tâm của thiết bị là một lớp silicon cực mỏng, có tác dụng bẫy ánh sáng rất hiệu quả và có độ hấp thụ thấp trong vùng hồng ngoại gần, đây là vùng quang phổ ánh sáng mà các nhà khoa học muốn kiểm soát. Silicon nằm trên đỉnh một tấm vật liệu trong suốt (trong trường hợp này là sapphire), trong đó các nhà nghiên cứu sử dụng kính hiển vi điện tử để khắc mẫu ăng-ten kích cỡ nanomet lên chúng. Mẫu này phải được vẽ mượt mà nhất có thể, vì các ăng-ten này đóng vai trò tương tự như các bức tường trong buồng dội âm, và các điểm không hoàn hảo ngăn cản khả năng thu nhận ánh sáng.

Các thiết bị sử dụng công nghệ này có hệ số chất lượng lên tới 2500, cao hơn hai bậc (100 lần) so với bất kỳ thiết bị tương tự nào trước đây đã đạt được. Yếu tố chất lượng là thước đo mô tả hành vi cộng hưởng, trong trường hợp này tỷ lệ thuận với thời gian tồn tại của ánh sáng. Lấy ví dụ về cảm biến sinh học, một phân tử sinh học nhỏ đến mức về cơ bản nó không thể nhìn thấy được. Nhưng việc truyền ánh sáng qua một phân tử hàng trăm hoặc hàng nghìn lần có thể làm tăng đáng kể cơ hội tạo ra hiệu ứng tán xạ có thể phát hiện được.

Phòng thí nghiệm của Dionne đang nghiên cứu áp dụng kỹ thuật này để phát hiện kháng nguyên COVID-19, các phân tử kích hoạt phản ứng miễn dịch và kháng thể protein do hệ thống miễn dịch tạo ra. Dionne cho biết: “Công nghệ của chúng tôi sẽ cung cấp một kết quả giống như các bác sĩ lâm sàng thường thấy. Nhưng chúng tôi có cơ hội phát hiện một loại virus đơn lẻ hoặc nồng độ rất thấp của các kháng thể nhờ vào các tương tác phân tử ánh sáng mạnh mẽ”. Thiết kế cũng cho phép mỗi ăng-ten hoạt động độc lập để phát hiện đồng thời các loại kháng thể khác nhau.

Bên cạnh đó, các nhà nghiên cứu cũng hào hứng với các ứng dụng khác, chẳng hạn như LIDAR, một công nghệ đo khoảng cách dựa trên laser thường được sử dụng trong các phương tiện tự lái. Phát hiện mới này cũng có thể hữu ích trong khoa học lượng tử. Ví dụ, tách các photon để tạo ra các photon vướng víu vẫn kết nối lượng tử ngay cả khi ở xa nhau thường đòi hỏi các công nghệ rất phức tạp. Nếu chúng ta có thể ứng dụng các cấu trúc nano này để điều khiển và định hình ánh sáng vướng víu, có thể một ngày nào đó chúng ta sẽ có một máy tạo vướng víu lượng tử có thể cầm trên tay. Chi tiết tham khảo tại:

Mark Lawrence, David R. Barton, Jefferson Dixon, Jung-Hwan Song, Jorik van de Groep, Mark L. Brongersma, Jennifer A. Dionne. High quality factor phase gradient metasurfaces. Nature Nanotechnology, 2020; DOI: 10.1038/s41565-020-0754-x

(Sưu tầm)
VIỆN IMC
Tòa nhà IMC Tower, Số 176 Trường Chinh, Phường Khương
Thượng, Quận Đống Đa, Thành phố Hà Nội, Việt Nam
Tel/Fax : (+84) 24 3566 6232 / 24 3566 6234
Email: contact@imc.org.vn   Website: http://imc.org.vn