Dàn nhạc nanophotonics: Xoắn đến ánh sáng của các hạt nano
Các nhà nghiên cứu vật lý tại trường đại học Bath ở Anh đã khám phá ra một hiệu ứng vật lý mới liên quan đến sự tương tác giữa ánh sáng và các vật liệu xoắn –một hiệu ứng dường như có các chỉ dấu cho công nghệ nano mới nổi trong truyền thông, robot nano và các hợp phần quang học siêu mỏng.
Trong thế kỷ 17 và 18, nghệ nhân làm đàn người Ý Antonio Stradivari đã chế tác ra những nhạc cụ có chất lượng huyền thoại, và nổi tiếng nhất chủ yếu là những cây đàn violin mang tên ông, Stradivarius. Điều khiến cho những âm thanh mà các nhạc cụ này tạo ra chứa đựng cả nét đẹp vô song và sự độc đáo chính là âm sắc riêng biệt, cũng được biết đến như màu sắc âm thanh hoặc chất lượng âm thanh. Tất cả các nhạc cụ đều có một âm sắc – khi một nốt nhạc (âm thanh với tần số mẫu fs) được chơi, nhạc cụ sẽ tạo ra một hòa âm (các tần số là một hợp âm nguyên của tần số ban đầu).
Thông thường, khi một ánh sáng của một màu nhất định (với tần số trung tâm fc) chiếu lên các vật liệu thì các vật liệu này có thể tạo ra hòa âm (các tần số ánh sáng 2fc, 3fc, 4fc, 5fc, 6fc…). Hòa âm của ánh sáng phát hiện ra các đặc tính phức tạp của vật liệu, qua đó có thể tìm được những ứng dụng trong chụp ảnh y học, truyền thông và công nghệ laser.
Ví dụ, mọi vật phát laser xanh trên thực tế là một vật phát laser hồng ngoại có ánh sáng không hiển thị với mắt người. Ánh sáng xanh mà chúng ta thấy trên thực tế là hòa âm thứ hai (2fc) của vật phát laser tia hồng ngoại, nó được tạo ra bằng một tinh thể đặc biệt bên trong vật phát đó.
Trong cả hai nhạc cụ và vật liệu phát sáng, một số tần số đều bị “cấm” – đó là chúng không thể nghe hoặc thấy do nhạc cụ hoặc vật liệu ngăn cản chúng. Bởi cây kèn clarinet hình trụ thẳng, nó khử tất ce mọi hòa âm (2fs, 4fs, 6fs…) và chỉ tạo ra duy nhất một hòa âm lẻ (3fs, 5fs, 7fs…). Tương phản, một cây kèn saxophone có hình dạng nón cong cho phép tạo ra mọi hòa âm và kết quả là có âm thanh phong phú và mượt mà hơn. Một chút tương tự, khi một dạng cụ thể của ánh sáng (phân cực tuần hoàn) chiếu lên một hạt nano kim loại phân tán trong một chất lỏng, hòa âm thêm này của ánh sáng không thể truyền dọc theo chiều ánh sáng truyền đi và những màu sắc phản hồi đều bị chặn.
Hiện tại, một nhóm nghiên cứu quốc tế do các nhà khoa học ở Khoa Vật lý trường đại học Bath đã tìm ra một cách để phát hiện ra những màu bị “cấm”, dẫn đến việc tìm thấy một hiệu ứng vật lý mới. Để có được kết quả này, họ đã ‘uốn cong’ thiết bị thực nghiệm của mình.
Giáo sư Ventsislav Valev, người dẫn dắt nghiên cứu, nói “Ý tưởng về độ xoắn của các hạt nano hoặc các phân tử có thể được phát hiện thông qua hòa âm học của ánh sáng đã xuất hiện 42 năm trước, bắt nguồn từ một nghiên cứu sinh tiến sĩ David Andrews. David nghĩ rằng lý thuyết của ông quá khó nắm bắt để có thể đánh giá bằng thực nghiệm nhưng hai năm vừa rồi, chúng tôi đã thử thí nghiệm hiện tượng này. Hiện tại, chúng tôi đã khám phá ra là độ xoắn của các hạt nano cũng có thể được quan sát trong hòa âm thêm của ánh sáng. Thật vui mừng khi người đem đến lý thuyết mà chúng tôi kiểm chứng ngày hôm nay không phải ai khác là giáo sư David Andrews, một trong số đồng tác giả của công trình!”.
“Để tạo ra một tương tự âm nhạc, cho đến hiện tại, các nhà khoa học nghiên cứu về các phân tử xoắn (DNA, amino acids, proteins, sugars…) và các hạt nano trong nước – nguyên tố của sự sống – đã rọi sáng chúng tại một tần số cho trước và đã quan sát tần số tương tự hoặc nhiễu của nó (các âm bội phi hòa âm riêng). Nghiên cứu của chúng tôi đã mở ra nghiên cứu về các tín hiệu hòa âm học của những phân tử xoắn. Vì vậy, lần đầu tiên chúng tôi có thể hiểu rõ giá trị ‘âm sắc’ của chúng.
Từ góc nhìn thực nghiệm, kết quả của chúng tôi mở ra một phương pháp thực nghiệm minh bạch, thân thiện với người áp dụng để đạt được một hiểu biết chưa từng có tiền lệ về sự tương tác giữa ánh sáng và những vật liệu xoắn. Những tương tác đó là tâm điểm của các công nghệ nano mới nổi trong truyền thông, robot nano và các thành phần quang học siêu mỏng. Ví dụ, sự ‘xoắn’ của các hạt nano có thể xác định được giá trị của các bit thông tin (cho xoắn về phía tay phải hay tay trái). Nó cũng thể hiện trong các chân vịt, cánh quạt của các robot nano và có thể ảnh hưởng đến hướng truyền của một chùm tia laser. Hơn nữa, phương pháp của chúng tôi có thể ứng dụng được trong độ rọi sáng ở kích thước siêu nhỏ, phù hợp với việc phân tích các hợp chất hóa học tự nhiên, vốn hứa hẹn tạo thành các loại dược chất mới ở nơi hiếm khi thấy sẵn vật liệu.
Nghiên cứu sinh tiến sĩ Lukas Ohnoutek, người cùng tham gia vào nghiên cứu, nói: “Chúng tôi đã từng suýt mất đi khám phá này. Thiết bị ban đầu của chúng tôi không ‘phù hợp’ và vì vậy chúng tôi thấy không có gì xảy ra ở hòa âm thứ ba. Tôi bắt đầu thấy mất hi vọng nhưng sau đó chúng tôi đã có một cuộc thảo luận, nhận ra những vấn đề tiềm năng và tìm hiểu chúng một cách có hệ thống cho đến khi chúng tôi phát hiện ra vấn đề. Thật tuyệt vời khi trải nghiệm một phương pháp khoa học, đặc biệt là khi nó dẫn đến một khám phá khoa học!”
Trong khi đó, người hơn 40 năm trước đề xuất lý thuyết, nay trở thành một giáo sư xuất sắc, Andrews thì cảm thấy hài lòng về những đồng nghiệp trẻ của mình “Giáo sư Valev đã dẫn dắt một nhóm nghiên cứu quốc tế tới điểm thật sự đầu tiên cho ứng dụng photon này. Khi anh ấy mời tôi tham gia, lời mời đưa tôi trở lại với công việc lý thuyết từ hồi còn làm nghiên cứu sinh. Thật vô cùng thú vị thấy điều đó cuối cùng cũng trở thành sự thật sau nhiều năm”.
Nghiên cứu được xuất bản trên tạp chí Laser & Photonic Reviews “Optical Activity in Third‐Harmonic Rayleigh Scattering: A New Route for Measuring Chirality” 1.
Thanh Nhàn tổng hợp
Nguồn: https://phys.org/news/2021-09-nanophotonics-orchestra-nanoparticles.html
—————————–
1. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202100235
