MỸ – Một nhóm các nhà nghiên cứu tại khoa kỹ thuật điện và máy tính (Ming Hsieh Department of Electrical and Computer Engineering) thuộc Trường Kỹ thuật Viterbi (Viterbi School of Engineering) của Đại học Nam California (University of Southern California – USC) ở thành phố Los Angeles, đã thiết kế một thiết bị quang học mới hoạt động theo nguyên lý của nhiệt động lực học quang học (optical thermodynamics) (*). (*) Nhiệt động lực quang học là lĩnh vực kết hợp giữa quang học và nhiệt động lực học nhằm mô tả cách ánh sáng mang theo năng lượng và trao đổi năng lượng với vật chất. Thay vì chỉ xem ánh sáng như sóng hay chùm tia, nhiệt động lực quang học xem trường ánh sáng như một hệ nhiệt động lực học, trong đó có các đại lượng như nhiệt độ, entropy (tạm dịch là mức độ phân tán của hệ) và cân bằng bức xạ. Cách tiếp cận này giúp xác định giới hạn hiệu suất của các thiết bị dựa trên ánh sáng như pin mặt trời, đèn LED, laser hay cảm biến nhiệt. Nhờ đó, nhiệt động lực quang học đóng vai trò nền tảng trong việc hiểu ánh sáng có thể chuyển hóa năng lượng hữu ích đến mức nào và vì sao mọi hệ quang – nhiệt đều tồn tại những giới hạn vật lý không thể vượt qua.
Dự án nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Photonics, giới thiệu một phương pháp định tuyến (routing) (*) ánh sáng mới trong các hệ thống quang học phi tuyến, mà không cần sử dụng các bộ chuyển mạch, điều khiển điện tử bên ngoài hay địa chỉ kỹ thuật số. Thay vào đó, ánh sáng tự tìm đường đến cổng đầu ra mong muốn, hoạt động theo nguyên lý nhiệt động lực học đơn giản. (*) Định tuyến: là quá trình chọn đường đi giữa hai hoặc nhiều thiết bị để gửi dữ liệu từ nguồn đến đích.
Từ van đến bộ định tuyến đến ánh sáng Định tuyến toàn cầu (universal routing) là một khái niệm kỹ thuật quen thuộc. Trong cơ học, một van đa cổng sẽ định hướng các tín hiệu đầu vào đến một đầu ra đã chọn. Trong điện tử kỹ thuật số, một bộ định tuyến wi-fi tại nhà hoặc bộ chuyển mạch ethernet trong trung tâm dữ liệu sẽ định hướng thông tin từ nhiều kênh đầu vào đến cổng đầu ra chính xác, đảm bảo mỗi luồng dữ liệu đến được đích đã chọn. Tuy nhiên, khi nói đến ánh sáng, vấn đề tương tự lại trở nên khó khăn hơn. Các bộ định tuyến quang học thông thường phải dựa vào các mảng chuyển mạch phức tạp và hệ thống điều khiển điện tử để chuyển đổi các đường dẫn. Những phương pháp này làm tăng độ khó về mặt kỹ thuật, đồng thời hạn chế tốc độ và hiệu suất.
Nhóm nghiên cứu quang tử tại đại học USC đã chứng minh được rằng có một cách khác. Ý tưởng này có thể được ví như một mê cung bi tự sắp xếp. Thông thường, cần phải nâng các rào chắn và dẫn hướng viên bi từng bước để đảm bảo nó đến được đích, đúng lỗ. Tuy nhiên, trong thiết bị của nhóm nghiên cứu, mê cung được thiết kế sao cho dù viên bi được thả ở đâu, nó sẽ tự lăn về đúng vị trí, không cần sự dẫn hướng. Và đây chính xác là cách ánh sáng hoạt động: nó tự tìm ra đường đi chính xác, bằng cách tuân theo các nguyên lý của nhiệt động lực học.
Tác động công nghiệp tiềm năng Ý nghĩa của phương pháp tiếp cận mới này vượt ra ngoài phạm vi phòng thí nghiệm. Khi hoạt động tính toán và xử lý dữ liệu tiếp tục vượt qua giới hạn của các thiết bị điện tử truyền thống, nhiều doanh nghiệp, bao gồm các nhà thiết kế chip như tập đoàn NVIDIA và các doanh nghiệp khác, đang khám phá khả năng kết nối quang học (optical interconnects) như một cách để truyền tải thông tin nhanh hơn và hiệu quả hơn. Tuy nhiên, bằng cách cung cấp một phương thức tự nhiên và tự tổ chức để định hướng tín hiệu ánh sáng, nhiệt động lực học quang học có thể đẩy nhanh sự phát triển của các công nghệ đó. Ngoài việc định tuyến dữ liệu ở quy mô chip, khuôn khổ này có thể ảnh hưởng đến viễn thông, máy tính hiệu suất cao và thậm chí cả xử lý thông tin an toàn, mở ra một con đường hướng tới các thiết bị vừa đơn giản hơn, vừa mạnh mẽ hơn.
Cách thức hoạt động: sự hỗn loạn được chế ngự bởi nhiệt động lực học Các hệ thống quang học đa chế độ phi tuyến (nonlinear multimode optical systems) thường bị loại bỏ vì tính hỗn loạn và không thể dự đoán của chúng. Sự tương tác phức tạp giữa các chế độ khiến chúng trở thành một trong những hệ thống khó mô phỏng nhất, chứ chưa nói đến việc thiết kế để sử dụng thực tế. Tuy nhiên, chính vì chúng không bị ràng buộc bởi các quy tắc của quang học tuyến tính, chúng ẩn chứa những hiện tượng vật lý phong phú và chưa được khám phá.
Nhận thấy ánh sáng trong các hệ thống này trải qua một quá trình tương tự như việc đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt, giống như cách các chất khí đạt đến trạng thái cân bằng thông qua các va chạm phân tử, các nhà nghiên cứu tại đại học USC đã phát triển một lý thuyết toàn diện về “nhiệt động lực học quang học”. Khung lý thuyết này mô tả cách ánh sáng hoạt động trong các mạng lưới phi tuyến bằng cách sử dụng các phép tương tự với các quá trình nhiệt động lực học quen thuộc như giãn nở, nén và chuyển pha (phase transition) (*). (*) Chuyển pha: là quá trình mà một hệ thống vật chất thay đổi đột ngột từ một trạng thái (hay còn gọi là pha) này sang một trạng thái khác, khi các điều kiện bên ngoài như nhiệt độ, áp suất, hoặc từ trường vượt qua một ngưỡng tới hạn đặc trưng. Ví dụ: sự thay đổi đột ngột từ trạng thái khuếch tán sang trạng thái cục bộ của ánh sáng.
Một thiết bị tự định tuyến ánh sáng Bài viết của nhóm trên tạp chí Nature Photonics, mô tả thiết bị đầu tiên được thiết kế dựa trên lý thuyết mới này (nhiệt động lực học quang học). Thay vì chủ động điều khiển tín hiệu, hệ thống được thiết kế để ánh sáng tự định tuyến.
Nguyên lý này được lấy cảm hứng trực tiếp từ nhiệt động lực học. Giống như một chất khí trải qua quá trình giãn nở Joule-Thomson (Joule-Thomson expansion) (*) sẽ phân phối lại áp suất và nhiệt độ của nó trước khi đạt trạng thái cân bằng nhiệt tự nhiên, ánh sáng trong thiết bị của đại học USC trải qua một quá trình hai bước: đầu tiên là sự giãn nở quang học tương tự như chất khí, sau đó là trạng thái cân bằng nhiệt. Vì khi đạt được trạng thái cân bằng, các photon sẽ tự động dồn về kênh có cấu hình năng lượng thấp nhất – chính là kênh đầu ra đã được thiết kế trước, do vậy, kết quả là một dòng chảy photon tự tổ chức (self-organised flow) (luồng ánh sáng) đi vào kênh đầu ra được chỉ định, mà không cần bộ chuyển mạch bên ngoài nào. (*) Hiệu ứng Joule-Thomson (còn được gọi là hiệu ứng Joule-Kelvin): mô tả sự thay đổi nhiệt độ của một chất khí hoặc chất lỏng thực (khác với khí lý tưởng) khi nó được giãn nở đẳng enthalpy (tức là quá trình có enthalpy không đổi) qua van tiết lưu hoặc nút chặn xốp trong điều kiện đoạn nhiệt (không có sự trao đổi nhiệt với môi trường). Hiệu ứng này được đặt tên theo James Prescott Joule và William Thomson (Lord Kelvin), những người đã phát hiện ra nó vào năm 1852, sau những nghiên cứu trước đó của Joule về sự giãn nở của khí.
Mở ra một lĩnh vực mới Bằng cách biến đổi sự hỗn loạn thành khả năng có thể được dự đoán một cách hiệu quả, nhiệt động lực học quang học mở ra cánh cửa cho việc tạo ra một loại thiết bị quang tử mới, loại thiết bị này khai thác sự phức tạp của các hệ thống phi tuyến thay vì chống lại chúng. Tác giả chính của nghiên cứu, cô Hediyeh M. Dinani, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại phòng thí nghiệm nhóm quang học và quang tử tại đại học USC, chia sẻ: “Ngoài việc định tuyến, khung lý thuyết này còn có thể cho phép các phương pháp quản lý ánh sáng hoàn toàn mới, với những ứng dụng quan trọng trong xử lý thông tin, truyền thông và khám phá vật lý cơ bản”.
Giáo sư kỹ thuật điện và máy tính tại đại học USC, ông Demetrios Christodoulides, chia sẻ: “Những gì trước đây được xem là vấn đề khó giải quyết trong quang học, đã được định hình lại thành một quá trình vật lý tự nhiên, một quá trình có thể định nghĩa lại cách các kỹ sư tiếp cận việc kiểm soát ánh sáng và các tín hiệu điện từ khác.”
Để xem các tin bài khác về “Thiết bị quang học”, hãy nhấn vào đây.
Nguồn: Electronics Online
