Đột phá tinh thể cho phép “viết” hoa văn nano bằng ánh sáng
Một nhóm nhà khoa học vừa khám phá ra loại tinh thể có thể được lập trình và tái cấu trúc bằng ánh sáng thông thường, mở ra hướng đi mới cho công nghệ quang học.
Các nhà nghiên cứu tại XPANCEO Emerging Technologies Research Center, phối hợp cùng Giáo sư Konstantin Novoselov – chủ nhân giải Nobel Vật lý, đã phát hiện hành vi quang học đặc biệt trong arsenic trisulfide (As₂S₃), một loại bán dẫn tinh thể van der Waals. Vật liệu này có thể bị thay đổi vĩnh viễn bởi ánh sáng và thậm chí được “điêu khắc” ở cấp độ nano chỉ bằng tia laser liên tục (CW), thay thế cho các hệ thống chế tạo đắt đỏ như quang khắc trong phòng sạch hay laser femtosecond.
Điểm mấu chốt của phát hiện này nằm ở chỉ số khúc xạ – yếu tố quyết định khả năng bẻ cong và làm chậm ánh sáng của vật liệu. Trong một số trường hợp, ánh sáng có thể tự thay đổi chỉ số này, gọi là photorefractivity.
Tinh thể As₂S₃ cho thấy hiệu ứng này ngay cả dưới ánh sáng UV cường độ thấp, với mức thay đổi chỉ số khúc xạ lên tới Δn ≈ 0.3 – cao hơn nhiều so với các vật liệu quang khúc xạ nổi tiếng như BaTiO₃ hay LiNbO₃.
Nhờ phản ứng mạnh mẽ này, ánh sáng có thể trực tiếp tạo ra các chức năng quang học bên trong vật liệu, thay vì phải qua nhiều bước chế tạo phức tạp. Ứng dụng tiềm năng bao gồm:
- Tạo cấu trúc dẫn ánh sáng trong thiết bị viễn thông.
- Hình thành phần tử nhiễu xạ cho cảm biến và hệ thống hình ảnh.
- Tạo các hoa văn giống hologram phục vụ bảo mật và xác thực.
Trong As₂S₃, hiệu ứng này hoạt động ở quy mô cực nhỏ, cho phép tạo ra hoa văn chi tiết bên trong vật liệu trong suốt. Những hoa văn này có thể trở thành “dấu vân tay quang học” khó sao chép, hữu ích cho chống giả mạo và truy xuất nguồn gốc.
Để chứng minh, nhóm nghiên cứu đã dùng laser tiêu chuẩn “khắc” chân dung Albert Einstein ở cấp độ vi mô trên một mảnh vật liệu, với khoảng cách điểm chỉ 700 nanomet. Thí nghiệm khác đạt độ phân giải tới 50.000 dpi (~500 nm giữa các điểm).
Valentyn Volkov, CTO của XPANCEO, nhận định: “Khám phá vật liệu chức năng mới, đặc biệt trong họ tinh thể van der Waals, chính là động lực thúc đẩy toàn bộ lĩnh vực quang học. Đây là nền tảng để phát triển các thiết bị tiên tiến như kính áp tròng thông minh.”
Ngoài thay đổi tính chất quang học, As₂S₃ còn có thể giãn nở tới 5% khi chiếu sáng, cho phép tạo trực tiếp các cấu trúc như thấu kính vi mô và cách tử trên bề mặt. Khả năng này đặc biệt quan trọng cho waveguide góc nhìn rộng trong kính AR và kính áp tròng thông minh, đồng thời mở ra tiềm năng cho mạch quang tử và cảm biến nano.