MỸ – Việc truyền tải một thông điệp từ điểm A đến điểm B, có thể đơn giản như việc giơ ngón tay cái ra hiệu cho một người lạ ở giao lộ để họ đi tiếp, đó là tín hiệu phi ngôn ngữ, rõ ràng và dễ hiểu. Nhưng việc truyền tải tín hiệu bằng ánh sáng lại không đơn giản như vậy.

Photon, những hạt ánh sáng nhỏ bé rất mong manh và khó đoán. Khác với electron, vốn phải được bảo toàn trong mạch điện, photon có thể phân tán, tách ra, hợp nhất thành các màu khác nhau hoặc bị hấp thụ, nghĩa là số lượng photon trong một hệ thống không cố định, ngay cả khi năng lượng chúng mang theo vẫn giữ nguyên. Điều này khiến việc dẫn truyền chúng qua cáp quang hoặc chip quang tử (photonic chips) (*), những mê cung quang học, trở nên khó khăn hơn nhiều so với việc dẫn truyền electron qua dây đồng, bởi vì các tín hiệu ánh sáng có thể bị tán xạ vào ngõ cụt hoặc biến mất trước khi đến đích.
(*) Chip quang tử (hay mạch tích hợp quang tử – PIC – photonic integrated circuit): còn được gọi là mạch sóng ánh sáng phẳng hoặc mạch quang tích hợp, là một vi mạch gồm hai hoặc nhiều thành phần được kết nối, tạo thành một mạch có chức năng tạo ra, truyền tải, điều chỉnh hoặc đo lường ánh sáng. Trong khi mạch tích hợp điện tử sử dụng electron, mạch PIC lại sử dụng photon. Thông tin trên mạch PIC được tạo ra, điều chỉnh và đo lường dưới dạng tín hiệu quang học của ánh sáng có bước sóng nằm trong phổ khả kiến ​​hoặc cận hồng ngoại.

Các kỹ sư thường phản ứng bằng cách tinh chỉnh mọi khuyết điểm, hoàn thiện chip quang tử đến mức hoàn hảo. Tuy nhiên, cách thực hiện này rất tốn công sức và không bao giờ giải quyết triệt để những hạn chế này.

Một nhà khoa học đang cầm một tinh thể bán dẫn có hoa văn nhỏ (tinh thể quang tử nhôm gali arsenua), nền tảng cho phép ông Zhen, ông Li và các cộng sự có thể dẫn ánh sáng theo một hướng ngay cả khi đi qua các khúc cua và các khuyết tật

Ông Bo Zhen, một nhà vật lý tại Trường Nghệ thuật và Khoa học Pennsylvania (Penn’s School of Arts & Sciences), chia sẻ: “Điều gì sẽ xảy ra nếu thay vì khắc phục các khuyết điểm, chúng ta có thể thay đổi các quy tắc của chính chip quang tử, tái cấu trúc lại môi trường truyền dẫn trong quá trình hoạt động để ánh sáng không còn lựa chọn nào khác ngoài việc tiếp tục đi thẳng về phía trước”.

Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology, ông Zhen và các đồng nghiệp đã chế tạo một ‘đường bí mật’ cho các photon, đảm bảo chùm ánh sáng có thể di chuyển từ A đến B mà không bị kẹt trong đường dẫn truyền hoặc bị lạc đường.

Cách tinh chỉnh của họ mở đường cho các chip định tuyến ánh sáng một chiều qua các khuyết tật, các bộ cách ly quang học không cần nam châm cồng kềnh và các tia laser chỉ phát ra ánh sáng theo hướng thẳng về phía trước, không bị ảnh hưởng bởi các phản xạ gây mất ổn định. Những đường truyền dẫn quang tử mạnh mẽ như thế này có thể thiết lập lại quy chuẩn của ngành công nghệ viễn thông, cảm biến và công nghệ lượng tử, ánh sáng ít rẽ sai hướng hơn, ít đường vòng hơn và ít các thành phần phụ trợ hơn rất nhiều.

Dự án bắt đầu vào năm 2018, khi tác giả đầu tiên ông Li He đề xuất sử dụng ánh sáng phân cực trên một tinh thể quang tử, một chất bán dẫn được đục thủng một mảng lỗ đều đặn (nhằm kiểm soát dòng ánh sáng), để tạo ra một trạng thái tô-pô (*) ổn định.
(*) Trạng thái tô-pô (topological state): có đặc tính mạnh mẽ chống lại các thay đổi cục bộ hoặc khuyết tật, từ đó tạo ra các con đường dẫn ánh sáng bền bỉ.

Mục tiêu là định hình lại cách ánh sáng di chuyển bên trong, tạo thành một con đường một chiều dọc theo các cạnh, nơi ánh sáng chỉ truyền về phía trước. “Đường bí mật” này, hay trạng thái biên chiral (chiral edge state), vẫn giữ được đặc tính một chiều của ánh sáng bất chấp những va chạm nhỏ hoặc khuyết tật. Đề xuất lý thuyết của họ cho thấy các photon có thể được dẫn dắt giống như cách các electron trong các vật liệu lượng tử ngoại lai.

Hệ thống laser siêu nhanh được ông Zhen thiết kế riêng

Ông Zhen đã nói rằng: “Lúc ban đầu từ lý thuyết, mọi thứ chỉ là những phương trình. Toán học cho chúng tôi biết điều đó là khả thi, nhưng để biến nó thành hiện thực, cần phải thiết kế đúng vật liệu và vận hành nó đúng cách. Và lý thuyết không phải lúc nào cũng phù hợp với thực tế”.

Thí nghiệm này cần hai tia laser siêu nhanh, một để điều khiển tinh thể và một để kiểm tra nó, mà ông Zhen đã đặt hàng từ châu Âu vào đầu năm 2020, đúng vào thời điểm các lệnh phong tỏa do dịch bệnh Covid-19 làm gián đoạn chuỗi cung ứng. Với sự hỗ trợ từ các cộng tác viên tại Đại học California Santa Barbara (University of California Santa Barbara), họ đã có một thiết bị ổn định vào năm 2022.

Nghiên cứu của họ cho thấy với phân cực tuyến tính (linear polarisation) (1), tinh thể vẫn ở trạng thái không có khe năng lượng, các dải năng lượng bên trong của nó giao nhau như những ‘người đi bộ thờ ơ’. Với phân cực tròn (circular polarisation) (2), các dải năng lượng bị xoắn lại mở ra một khe hở hoàn chỉnh, được đánh dấu bằng dấu hiệu tô-pô không thể nhầm lẫn: số Chern (3) bằng một (C = 1), một đặc điểm riêng biệt cho thấy một kênh truyền dẫn một chiều đã được mở ra.
(1) Phân cực tuyến tính: không tạo ra hiệu ứng mong muốn. Ánh sáng không bị kiểm soát (“các dải năng lượng giao nhau như những người đi bộ thờ ơ”). Trong vật lý, điều này có nghĩa là ánh sáng có thể đi theo nhiều hướng khác nhau.
(2) Phân cực tròn: đây là chìa khóa để kích hoạt trạng thái tô-pô. Nó đã xoắn các dải năng lượng và mở ra một khe hở năng lượng.
(3) Số Chern (C): là một số lượng tử tô-pô (một số nguyên) được sử dụng để phân loại các trạng thái vật chất tô-pô.

Từ quang phổ laser của họ, các dấu vết năng lượng chi tiết, nhóm nghiên cứu đã tái tạo lại cấu trúc dải năng lượng, xác nhận rằng họ đã để tinh thể được vận hành nhịp nhàng theo thời gian, tạo ra các tuyến đường truyền được bảo vệ mới trong các khe hở năng lượng.

Ông Zhen nói tiếp: “Đó là một khoảnh khắc khám phá mang tính đột phá và bất ngờ, các biểu đồ hiển thị trên màn hình trùng khớp với sơ đồ dải tô-pô mà chúng tôi đã mơ ước. Chúng tôi đã chuyển đổi một ý tưởng trừu tượng thành một hiện tượng vật lý có thể quan sát và đo lường được tại phòng thí nghiệm”.

Trong vật liệu quang học phi tuyến tính (nonlinear optical material), hai photon cùng màu có thể hợp nhất thành một photon đơn lẻ có màu khác, hoặc một photon đơn lẻ có thể phân tách thành nhiều photon. Ông Zhen chia sẻ: “Quan sát thấy khi bơm một photon xanh vào, hai photon đỏ thoát ra, đây là những kết nối và truyền tải mà thiết bị điện tử đơn giản không thực hiện được. Sự tự do đó đồng nghĩa với việc các hệ thống quang tử không bị ràng buộc bởi những hạn chế giống như điện tử, và trạng thái tô-pô mới của ánh sáng này mang đến một bộ quy tắc mới cho việc thiết kế thiết bị và chip.”

Ông Zhen cho biết nhóm giai đoạn tiếp theo của dự án này là việc chuyển sang tinh thể ba chiều, mở rộng nó sang tần số vi sóng, nơi các thành phần lớn hơn và dễ xử lý hơn, đồng thời khám phá xem hiệu ứng này có thể bảo vệ các trạng thái lượng tử mong manh của ánh sáng (dễ bị mất thông tin do nhiễu hoặc khuyết tật vật lý) hay không.

Ông Zhen nói thêm: “Chúng tôi đã chứng minh được rằng điều đó là khả thi. Mục tiêu hiện tại là xem liệu phương pháp này có thể bảo vệ thông tin lượng tử hay tạo ra các loại thiết bị quang học mới hay không”.

Để xem các tin bài khác về “Truyền dẫn ánh sáng”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online