Cho đến gần đây, các nhà vật lý vẫn tin tưởng rộng rãi rằng không thể nén ánh sáng xuống dưới cái gọi là giới hạn nhiễu xạ, ngoại trừ khi sử dụng các hạt nano kim loại, không may là chúng cũng hấp thụ ánh sáng.
Do đó, dường như không thể nén mạnh ánh sáng trong các vật liệu điện môi như silicon, là vật liệu chủ chốt trong công nghệ thông tin và có ưu điểm quan trọng là chúng không hấp thụ ánh sáng.
>> Tham khảo: Chip máy tính nhanh hơn và hiệu quả hơn nhờ germanium.
Thật thú vị, về mặt lý thuyết đã được chứng minh vào năm 2006 rằng giới hạn nhiễu xạ cũng không áp dụng cho chất điện môi.
Tuy nhiên, chưa ai thành công trong việc thể hiện điều này trong thế giới thực, đơn giản vì nó đòi hỏi công nghệ nano tiên tiến đến mức cho đến nay chưa ai có thể xây dựng cấu trúc nano điện môi cần thiết.
Một nhóm nghiên cứu từ DTU đã thiết kế và xây dựng thành công một cấu trúc, cái gọi là khoang nano điện môi, tập trung ánh sáng trong một thể tích thấp hơn 12 lần so với giới hạn nhiễu xạ. Kết quả này mang tính đột phá trong nghiên cứu quang học và vừa được công bố trên tạp chí Nature Communications.
“Mặc dù các tính toán của máy tính cho thấy bạn có thể tập trung ánh sáng tại một điểm vô cùng nhỏ, nhưng điều này chỉ áp dụng trên lý thuyết.
>> Tham khảo: Tinh thể kim loại ‘Kagome’ bổ sung vòng quay mới cho thiết bị điện tử.
Kết quả thực tế bị giới hạn bởi cách các chi tiết nhỏ có thể được tạo ra, chẳng hạn như trên một vi mạch,” Marcus Albrechtsen, nghiên cứu sinh tiến sĩ, cho biết tại DTU Electro và là tác giả đầu tiên của bài viết mới.
“Chúng tôi đã lập trình kiến thức của mình về công nghệ nano quang tử thực và những hạn chế hiện tại của nó vào máy tính. Sau đó, chúng tôi yêu cầu máy tính tìm một mẫu thu thập các photon trong một khu vực nhỏ chưa từng có — trong một khoang nano quang học — mà chúng tôi cũng có thể xây dựng trong phòng thí nghiệm.”
Khoang nano quang học là cấu trúc được thiết kế đặc biệt để giữ lại ánh sáng sao cho ánh sáng không lan truyền như chúng ta vẫn quen mà bị ném qua lại như thể bạn đặt hai tấm gương đối diện nhau.
Bạn đặt các gương càng gần nhau thì ánh sáng giữa các gương càng mạnh. Đối với thí nghiệm này, các nhà nghiên cứu đã thiết kế cái gọi là cấu trúc nơ, đặc biệt hiệu quả trong việc ép các photon lại với nhau do hình dạng đặc biệt của nó.
Nỗ lực liên ngành và phương pháp xuất sắc
Khoang nano được làm bằng silicon, vật liệu điện môi làm nền tảng cho công nghệ hiện đại tiên tiến nhất.
Vật liệu cho khoang nano được phát triển trong các phòng thí nghiệm phòng sạch tại DTU và các mẫu dựa trên khoang này được tối ưu hóa và thiết kế bằng phương pháp duy nhất để tối ưu hóa cấu trúc liên kết được phát triển tại DTU.
Ban đầu được phát triển để thiết kế cầu và cánh máy bay, hiện nay nó cũng được sử dụng cho các cấu trúc quang tử nano.
Phó giáo sư Søren Stobbe, người đứng đầu công trình nghiên cứu, cho biết: “Để đạt được bước đột phá này, cần phải có nỗ lực chung rất lớn.
>> Tham khảo: Bão nhiệt đới đóng vai trò là ‘máy bơm nhiệt khổng lồ’ cung cấp nhiệt độ cực cao.
Điều đó chỉ có thể thực hiện được nhờ chúng tôi đã kết hợp được các nghiên cứu hàng đầu thế giới từ một số nhóm nghiên cứu tại DTU”.
Đột phá quan trọng cho công nghệ tiết kiệm năng lượng
Phát hiện này có thể mang tính quyết định đối với việc phát triển các công nghệ mới mang tính cách mạng có thể làm giảm số lượng các bộ phận ngốn năng lượng trong các trung tâm dữ liệu, máy tính, điện thoại, v.v.
Mức tiêu thụ năng lượng cho máy tính và trung tâm dữ liệu tiếp tục tăng và cần có kiến trúc chip bền vững hơn, sử dụng ít năng lượng hơn.
Điều này có thể đạt được bằng cách thay thế các mạch điện bằng các thành phần quang học. Tầm nhìn của các nhà nghiên cứu là sử dụng cùng một sự phân công lao động giữa ánh sáng và điện tử được sử dụng cho Internet, trong đó ánh sáng được sử dụng để liên lạc và điện tử để xử lý dữ liệu.
Sự khác biệt duy nhất là cả hai chức năng phải được tích hợp trong cùng một con chip, đòi hỏi ánh sáng phải được nén ở cùng kích thước với các thành phần điện tử. Đột phá ở DTU cho thấy, thực tế là có thể.
Marcus Albrechtsen cho biết: “Không còn nghi ngờ gì nữa, đây là một bước quan trọng để phát triển một công nghệ tiết kiệm năng lượng hơn, chẳng hạn như tia laser nano cho các kết nối quang học trong trung tâm dữ liệu và máy tính trong tương lai – nhưng vẫn còn một chặng đường dài phía trước”.
>> Tham khảo: Sợi được sản xuất từ vi sinh vật: Mạnh hơn thép, cứng hơn Kevlar.
Giờ đây, các nhà nghiên cứu sẽ tiếp tục nghiên cứu và tinh chỉnh các phương pháp cũng như vật liệu để tìm ra giải pháp tối ưu.
“Bây giờ chúng ta đã có lý thuyết và phương pháp, chúng ta sẽ có thể tạo ra các photon có cường độ ngày càng cao khi công nghệ xung quanh phát triển.
Tôi tin rằng đây chỉ là bước đầu tiên trong một chuỗi dài các phát triển lớn trong vật lý và công nghệ nano quang tử xoay quanh những nguyên tắc này,” Søren Stobbe, người gần đây đã nhận được Khoản trợ cấp Hợp nhất từ Hội đồng Nghiên cứu Châu Âu trị giá 2 triệu € cho việc phát triển một loại nguồn sáng hoàn toàn mới dựa trên các hốc mới.
Giới hạn nhiễu xạ
Lý thuyết về giới hạn nhiễu xạ mô tả rằng ánh sáng không thể tập trung vào một thể tích nhỏ hơn một nửa bước sóng trong một hệ thống quang học — ví dụ, điều này áp dụng cho độ phân giải trong kính hiển vi.
Tuy nhiên, cấu trúc nano có thể bao gồm các nguyên tố nhỏ hơn nhiều so với bước sóng, điều đó có nghĩa là giới hạn nhiễu xạ không còn là giới hạn cơ bản.
Đặc biệt, các cấu trúc nơ có thể nén ánh sáng thành những thể tích rất nhỏ bị giới hạn bởi kích thước của nơ và do đó, chất lượng của chế tạo nano.
Khi ánh sáng bị nén, nó sẽ trở nên mạnh hơn, tăng cường tương tác giữa ánh sáng và các vật liệu như nguyên tử, phân tử và vật liệu 2D.
Vật liệu điện môi
Vật liệu điện môi là vật liệu cách điện. Thủy tinh, cao su và nhựa là những ví dụ về vật liệu điện môi và chúng tương phản với kim loại dẫn điện.
Một ví dụ về vật liệu điện môi là silicon, thường được sử dụng trong điện tử cũng như trong quang tử.
Nghiên cứu được thực hiện tại DTU giữa các bộ phận DTU Electro, DTU Nanolab và DTU Construct như một phần của sự hợp tác trong trung tâm NanoPhoton xuất sắc của DNRF, do giáo sư Jesper Mørk đứng đầu.
