Khám phá hệ mới kiểm soát hành xử hỗn loạn của ánh sáng
Khai thác và kiểm soát ánh sáng là một vấn đề quan trọng cho phát triển công nghệ, bao gồm khai thác năng lượng, tính toán, truyền thông và cảm biến y sinh. Trong các kịch bản ở thế giới thực, sự phức tạp trong hành xử của ánh sáng đã tạo ra vô số thách thức để kiểm soát nó hiệu quả.
Nhà vật lý Andrea Alù ví hành xử của ánh sáng trong các hệ hỗn loạn với cú chọc gậy đầu tiên trong một ván billiards.
“Trong billiards, những biến thiên nhỏ tí theo cách anh xếp đặt quả bóng trắng sẽ dẫn đến những mẫu hình khác biệt của việc những quả bóng nảy trên bàn bóng”, theo Alù, giáo sư vật lý Einstein tại Trung tâm CUNY, giám đốc sáng lập Sáng kiến Photonics tại Trung tâm nghiên cứu Khoa học tiên tiến CUNY và giáo sư tại CUNY.
“Các tia sáng vận hành theo một cách tương tự trong một lỗ trống hỗn loạn. Vô cùng khó để dùng mô hình dự đoán những gì sẽ diễn ra bởi vì anh có thể chạy một thực nghiệm nhiều lần với những sắp đặt tương tự và anh nhận được những kết quả khác biệt ở mọi lúc”.
Trong một công bố mới xuất bản trên Nature Physics 1, một nhóm nghiên cứu do các nhà nghiên cứu ở Trung tâm đào tạo CUNY miêu tả một nền tảng mới cho kiểm soát hành xử hỗn loạn của anh sáng bằng việc thiết kế các mẫu hình tán xạ của nó bằng chính ánh sáng. Dự án này do các đồng tác giả Xuefeng Jiang, một cựu postdoct trong phòng thí nghiệm của Alù và giờ là trợ lý giáo sư vật lý tại ĐH Seton Hall, và Shixiong Yin, một học viên cao học trong phòng thí nghiệm của Alù, dẫn dắt.
Các nền tảng thông thường cho nghiên cứu các hành xử của ánh sáng sử dụng hốc cộng hưởng hình tròn hoặc các hốc cộng hưởng đều đặn, trong đó tia sáng nảy và tán xạ ở nhiều mẫu hình đã được dự đoán. Trong một hốc hình tròn có thể chỉ những tần số đã được dự đoán và tần số riêng biệt (màu sắc của ánh sáng) sống sót, và mỗi tần số được hỗ trợ đều liên kết với một mẫu hình không gian hoặc mode.
Mỗi mode tại một tần số đều đủ để hiểu vai trò vật lý trong một hốc tròn nhưng cách tiếp cận này không giải thích được toàn bộ độ phức tạp trong các hành xử của ánh sáng trong những mẫu hình phức tạp, Jaing nói.
“Trong một hốc hỗ trợ các mẫu hình hỗn loạn của ánh sáng, bất kỳ tần số nào được đưa vào hốc cũng có thể kích thích hàng ngàn mẫu hình ánh sáng, vốn thường được nghĩ là làm mất các cơ hội kiểm soát sự phản hồi quang học”, Jaing nói. “Chúng tôi đã thực hiện điều tưởng như không thể kiểm soát hành xử hỗn loạn đó”.
Để giải quyết thách thức này, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một hốc có hình dạng như một sân vận động lớn với một đỉnh mở và hai kênh đối diện mà ánh sáng đi vào bên trong lỗ trống một cách trực tiếp. Khi các tia sáng tán xạ lên các cách và nảy xung quanh, một camera ở trên sẽ ghi lại lượng ánh sáng thoát khỏi sân vận động và các mẫu hình không gian của nó.
Thiết bị có các nốt bấm ở các bên để giúp kiểm soát cường độ ánh sáng tại hai đầu ra, và độ trễ giữa chúng. Các kênh đối lập là nguyên nhân khiến các chùm tia ánh sáng giao thoa với nhau trong hốc dạng sân vận động, cho phép mỗi chùm tia kiểm soát tán xạ của chùm tia khác thông qua một quá trình mà người ta gọi là điều khiển mạch lạc – về cơ bản, đó là việc sử dụng ánh sáng để kiểm soát ánh sáng, Alù giải thích. Bằng việc hiệu chỉnh cường độ liên quan và độ trễ của các chùm tia ánh sáng chiếu vào hai kênh dẫn, các nhà nghiên cứu đã thay đổi một cách nhất quán mẫu hình bức xạ của ánh sáng bên ngoài hốc.
Sự kiểm soát này được thực hiện thông qua một hành xử hiếm của ánh sáng trong các hốc cộng hưởng, gọi là ‘các mode tán xạ phi phản xạ (RSMs), vốn được dự đoán về lý thuyết trước đây nhưng chưa được quan sát trong các hệ hốc quang. Theo Yin, năng lực để điều khiển RSMs thể hiện trong công trình này cho phép kích thích hiệu quả trong các hệ quang phức hợp, vốn có những gợi ý về lưu trữ năng lượng, tính toán và xử lý tín hiệu.
“Chúng tôi tìm thấy tại những tần số cụ thể, hệ của chúng tôi có thể hỗ trợ hai RSMs độc lập và chồng lấn, vốn là nguyên nhân của mọi ánh sáng chiếu vào hốc dạng sân vận động mà không phản xạ trở lại các điểm vào kênh dẫn của chúng tôi”, Yin nói. “Các kết quả thực hiện của chúng tôi với các tín hiệu quang bên trong băng thông của các sợi quang mà chúng ta vẫn sử dụng trong cuộc sống, vì vậy phát hiện này giúp chúng ta tiến thêm một bước trên một con đường mới cho lưu trữ tốt hơn, lộ trình tốt hơn và kiểm soát các tín hiệu quang trong các nền tảng quang phức hợp”.
Các nhà nghiên cứu hướng đến việc tích hợp các nốt trong những nghiên cứu tương lai, mở ra rất nhiều bậc tự do cho việc khám phá thêm những phức tạp của hành xử ánh sáng.
Thanh Nhàn tổng hợp
Nguồn: https://phys.org/news/2023-11-bartering-scientists-chaotic-behavior.html
———————————-
1. https://www.nature.com/articles/s41567-023-02242-w
