Các nhà nghiên cứu loan báo đột phá photon-phonon
Nghiên cứu mới của một nhóm nghiên cứu trường City College của New York đã khám phá ra một cách kết hợp mới hai trạng thái khác biệt của vật chất. Lần đầu tiên, các photon topo – các hạt ánh sáng – đã kết hợp với các dao động mạng tinh thể - hay còn gọi là các phonon, để điều khiển sự lan truyền của chúng theo một cách có thể kiểm soát.
Nghiên cứu này sử dụng photon topo, một hướng mới xuất hiện trong photon học dựa trên đòn bẩy là các ý tưởng cơ bản của trường toán học topo về các đại lượng được bảo toàn – những bất biến topo – vẫn không đổi ngay cả khi thay đổi các phần của một vật thể hình học dưới những biến dạng liên tục. Một trong những ví dụ đơn giản nhất của nhiều bất biến topo là số các lỗ khiến cho cái bánh rán donut và cái cốc tương đương nhau, nếu nhìn từ quan điểm topo.
Các đặc tính topo truyền cho các photon tính xoắn, khi các photon spin trong lan truyền, dẫn đến những đặc tính độc đáo không ngờ tới như độ cứng và độ lan truyền theo một hướng duy nhất dọc theo các phân giới giữa các vật liệu riêng biệt về mặt topo. Nhờ có những tương tác với các dao động trong các tinh thể, những photon xoắn đó có thể sử dụng được làm kênh ánh sáng hồng ngoại dọc theo các dao động.
Các chỉ dấu tác động của công trình này rất rộng, cụ thể nó cho phép các nhà nghiên cứu cải tiến quang phổ Raman, vốn được dùng để xác định các phương thức dao động của phân tử. Nghiên cứu này hứa hẹn về khả năng có quang phổ dao động – còn được biết đến với tên gọi quang phổ hồng ngoại – dùng để đo đạc tương tác của bức xạ hồng ngoại với vật chất thông qua hấp thụ, phát xạ và phản xạ. Điều này có thể hữu dụng trong nghiên cứu và nhận diện, tìm hiểu đặc tính của các vật chất hóa học.
“Chúng tôi kết cặp các photon xoắn với các dao động tinh thể trong bor nitride lục giác, tạo ra một kiểu vật chất lai mới như các phonon-polariton”, Alexander Khanikaev, tác giả chính và là nhà vật lý ở trường Kỹ thuật Grove của CCNY, nói. “Nó có tính chất nửa ánh sáng và nửa dao động. Kể từ khi ánh sáng hồng ngoại và dao động tinh thể được liên kết với nhiệt, chúng tôi đã tạo được ra các kênh cho lan truyền ánh sáng và nhiệt cùng lúc. Trên thực tế rất khó kiểm soát các dao động tinh thể và dẫn chúng quanh các độ hụt và các góc nhọn, điều không thể làm được trước đây”.
Phương pháp mới có thể thực hiện được các chuyển dịch nhiệt phát xạ có định hướng, một hình thức của truyền năng lượng trong suốt thời điểm nhiệt bị hao tán thông qua các sóng điện từ.
“Chúng tôi có thể tạo ra các kênh theo hình dạng tùy ý cho hình thức các mức kích thích của ánh sáng và vật chất lai được hướng dẫn bên trong vật liệu hai chiều mà chúng tôi tạo ra”, tiến sĩ Sriram Guddala, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ trong nhóm nghiên cứu của giáo sư Khanikaev và là tác giả thứ nhất của công trình, nói. “Phương pháp này cho phép chúng tôi chuyển hướng của lan truyền các dao động dọc theo các kênh, thẳng hướng hoặc quay ngược trở lại một cách đơn giản bằng việc chuyển các phân cực thuận tay của chùm tia laser tới. Thú vị hơn, khi các phonon-polariton lan truyền, các dao động cũng quay theo từ trường. Đây là một cách hoàn toàn mới để hướng dẫn và quay các dao động tinh thể, điều khiến cho chúng trở nên xoắn”.
Công trình “Topological phonon-polariton funneling in midinfrared metasurfaces” được xuất bản trên tạp chí Science 1.
Thanh Phương tổng hợp
Nguồn: https://phys.org/news/2021-10-photon-phonon-breakthrough.html
https://www.photonics.com/Articles/Photon-Phonon_Combination_Will_Enable/a67431
———————————————–
1. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj5488
