Các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách tạo ra tương tác mạnh hơn nhiều giữa photon và electron, tạo ra sự phát xạ ánh sáng tăng gấp trăm lần từ một hiện tượng gọi là bức xạ Smith-Purcell. Minh họa của các nhà nghiên cứu

Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại MIT và các nơi khác đã đưa ra một phương pháp cải tiến để tạo ra tương tác mạnh hơn nhiều giữa các photon và electron, tạo ra sự gia tăng gấp trăm lần trong sự phát xạ ánh sáng từ một hiện tượng gọi là bức xạ Smith-Purcell. Phát hiện này có ý nghĩa tiềm năng đối với cả ứng dụng thương mại và nghiên cứu khoa học cơ bản, mặc dù sẽ cần nhiều năm nghiên cứu hơn nữa để biến nó thành hiện thực.

Những phát hiện được báo cáo trên tạp chí Nature.

Trong sự kết hợp giữa mô phỏng trên máy tính và thí nghiệm trong phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng bằng cách sử dụng một chùm electron kết hợp với một tinh thể quang tử được thiết kế đặc biệt – một tấm silicon trên chất cách điện, được khắc bằng một dãy lỗ có kích thước nanomet – về mặt lý thuyết, họ có thể dự đoán bức xạ Smith-Purcell thông thường có thể phát xạ mạnh hơn theo nhiều bậc độ lớn so với bức xạ Smith-Purcell thông thường. Họ cũng ghi lại bằng thực nghiệm sự gia tăng bức xạ gấp một trăm lần trong các phép đo chứng minh khái niệm của họ.

Không giống như các phương pháp khác để tạo ra các nguồn ánh sáng hoặc bức xạ điện từ khác, phương pháp dựa trên electron tự do hoàn toàn có thể điều chỉnh được — nó có thể tạo ra phát xạ ở bất kỳ bước sóng mong muốn nào, chỉ bằng cách điều chỉnh kích thước của cấu trúc quang tử và tốc độ của các electron. Điều này có thể làm cho nó đặc biệt có giá trị để tạo ra các nguồn phát xạ ở các bước sóng khó tạo ra một cách hiệu quả, bao gồm sóng terahertz, tia cực tím và tia X.

Cho đến nay, nhóm nghiên cứu đã chứng minh khả năng phát xạ tăng gấp trăm lần bằng cách sử dụng kính hiển vi điện tử được tái sử dụng để hoạt động như một nguồn chùm tia điện tử. Nhưng họ nói rằng nguyên tắc cơ bản liên quan có khả năng cho phép cải tiến nhiều hơn bằng cách sử dụng các thiết bị được điều chỉnh đặc biệt cho chức năng này.

Cách tiếp cận này dựa trên một khái niệm gọi là dải phẳng, đã được khám phá rộng rãi trong những năm gần đây đối với vật lý vật chất ngưng tụ và lượng tử ánh sáng nhưng chưa bao giờ được áp dụng để tác động đến tương tác cơ bản của photon và electron tự do. Nguyên tắc cơ bản liên quan đến việc truyền động lượng từ electron sang một nhóm photon hoặc ngược lại. Trong khi các tương tác ánh sáng-electron thông thường dựa vào việc tạo ra ánh sáng ở một góc duy nhất, thì tinh thể quang tử được điều chỉnh theo cách nó cho phép tạo ra toàn bộ dải góc.

Quá trình tương tự cũng có thể được sử dụng theo hướng ngược lại, sử dụng sóng ánh sáng cộng hưởng để đẩy các electron, tăng vận tốc của chúng theo cách có thể được khai thác để xây dựng các máy gia tốc hạt thu nhỏ trên một con chip. Những thứ này cuối cùng có thể thực hiện một số chức năng hiện đang yêu cầu các đường hầm khổng lồ dưới lòng đất, chẳng hạn như Máy Va chạm Hadron Lớn rộng 30 km ở Thụy Sĩ.

Roques-Carmes cho biết hệ thống mới cũng có khả năng cung cấp chùm tia X có khả năng kiểm soát cao cho mục đích xạ trị.

Và hệ thống này có thể được sử dụng để tạo ra nhiều photon vướng víu, một hiệu ứng lượng tử có thể hữu ích trong việc tạo ra các hệ thống truyền thông và tính toán dựa trên lượng tử, các nhà nghiên cứu cho biết. “Bạn có thể sử dụng các electron để ghép nhiều photon lại với nhau, đây là một vấn đề khá khó khăn nếu sử dụng phương pháp quang học thuần túy,” Yang nói. “Đó là một trong những hướng đi thú vị nhất trong tương lai của công việc chúng tôi.”

Soljačić cảnh báo rằng vẫn còn nhiều việc phải làm để biến những phát hiện mới này thành các thiết bị thực tế. Có thể mất vài năm để phát triển các giao diện cần thiết giữa các thành phần quang học và điện tử cũng như cách kết nối chúng trên một con chip đơn lẻ, đồng thời phát triển nguồn điện tử trên chip cần thiết tạo ra mặt sóng liên tục, trong số những thách thức khác.