Khoa học tự nhiên

Các nhà vật lý tạo các trạng thái vật chất kỳ lạ có thể dẫn tới các loại cảm biến và tiết bị quang học mới (24/09/2015)

Nón Dirac, được đặt tên theo nhà vật lý người Anh Paul Dirac, khởi đầu như là một khái niệm trong vật lý hạt và năng lượng cao và gần đây đã trở nên quan trọng trong nghiên cứu trong vật lý chất rắn và khoa học vật liệu kể từ khi nó được sử dụng để mô tả các khía cạnh của graphene, một dạng cácbon hai chiều, cho thấy các khả năng ứng dụng trên nhiều lĩnh vực khác nhau.

Sơ đồ mô tả vòng tròn các điểm đặc biệt (thể hiện trong màu trắng) có thể được sinh ra như thế nào từ một điểm Dirac (dấu chấm), và do đó thay đổi sự phân tán từ hình dạng bình thường, được biết đến là hình nón thành hình dạng đèn lồng như kỳ lạ. Credit: MIT.

Mới đây các nhà vật lý tại Đại học Công nghệ Massachussette (MIT) đã phát hiện ra một hiện tượng khác thường được tạo ra bới nón Dirac: Nó có thể tạo ra một hiện tượng được mô tả như là "vòng tròn của các điểm đặc biệt". Hiện tượng này kết nối hai lĩnh vực nghiên cứu trong vật lý và có thể có các ứng dụng trong chế tạo các laser cường độ cao, cảm biến quang học chính xác, và các thiết bị khác.

Nhóm nghiên cứu gồm TS Bo Zhen (MIT), TS Chia Wei Hsu (ĐH Yale), Marin Soljači, GS vật lý tại MIT cùng những người khác đã công bố các kết quả nghiên cứu trên Tạp chí Nature.

Công trình này thể hiện "sự trình diễn thử nghiệm đầu tiên của vòng các điểm đặc biệt", Zhen nói, và là nghiên cứu đầu tiên có liên quan nghiên cứu các điểm đặc biệt với các khái niệm vật lý về đối xứng chẵn lẻ-thời gian và nón Dirac.

Các điểm đặc biệt riêng lẻ là một hiện tượng đặc biệt độc đáo của một lớp các hệ thống vật lý bất thường có thể dẫn đến những hiện tượng khác thường. Ví dụ, xung quanh những điểm này, các vật liệu mờ đục có vẻ sáng trong hơn, và ánh sáng được truyền chỉ theo một hướng. Tuy nhiên, tính hữu dụng thực tế của các tính chất này bị giới hạn bởi sự mất hấp thụ tồn tại trong các vật liệu.

Nhóm nghiên cứu ở MIT đã sử dụng một loại vật liệu gia công nano (nanoengineered) gọi là tinh thể quang tử để tạo ra vòng đặc biệt này. Vòng các điểm đặc biệt mới này khác với những vòng được các nhóm khác nghiên cứu, làm cho nó có khả năng thực tế hơn, các nhà nghiên cứu nói.

"Thay vì mất hấp thụ, chúng tôi áp dụng một cơ chế mất khác - mất-bức xạ - mà không ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị", Zhen nói. "Trong thực tế, sự mất bức xạ là hữu ích và cần thiết trong các thiết bị như laser".

Hiện tượng này có thể cho phép tạo ra các loại hệ thống quang học mới với các tính năng mới lạ, nhóm nghiên cứu MIT nói.

"Một ứng dụng quan trọng khả dĩ của công trình này là tạo ra một hệ thống laser mạnh hơn so với công nghệ hiện nay cho phép", Soljači nói. Để xây dựng một laser mạnh hơn đòi hỏi một vùng phát laser lớn hơn, nhưng điều đó tạo ra các "chế độ" ánh sáng không mong muốn, cạnh tranh về năng lượng, làm hạn chế đầu ra cuối cùng.

"Laser bức xạ bề mặt tinh thể quang tử là một ứng cử viên đầy hứa hẹn cho các thế hệ tiếp theo của hệ thống laser nhỏ gọn, công suất cao, chất lượng cao" Soljači nói, "và ước tính chúng tôi có thể cải thiện những hạn chế công suất đầu ra của laser it nhất 10 lần".

"Hệ thống của chúng tôi cũng có thể được sử dụng cho các thiết bị thăm dò chính xác cao cho các vật liệu sinh học hoặc hóa học, do sự nhạy cực cao của nó", Hsu nói. Độ nhạy được nâng cao là do một thuộc tính khác lạ khác trong những điểm đặc biệt: Phản ứng của nó với các nhiễu loạn không tỷ lệ theo cường độ nhiễu loạn.

Hsu cho biết, thông thường rất khó phát hiện một chất ở nồng độ thấp. Khi nồng độ của chất mục tiêu giảm một triệu lần, tín hiệu chung của nó cũng giảm một triệu lần, có thể làm cho nó quá nhỏ để phát hiện ra.

"Nhưng tại điểm đặc biệt, nó không còn tỷ lệ như vậy nữa", Hsu cho biết, "và tín hiệu chỉ giảm 1.000 lần, tạo ra phản ứng lớn hơn nhiều để mó có thể được phát hiện".

Nguồn: vista.vn (theo Nature)