Các nhà vật lý tại Đại học Bắc Kinh (Trung Quốc) vừa khám phá một cơ chế mới cho phép giam giữ ánh sáng vượt xa giới hạn thông thường mà không cần sử dụng kim loại - vốn thường gây tiêu hao năng lượng. Thành tựu này được kỳ vọng mở đường cho các chip quang tử siêu hiệu quả, công nghệ lượng tử mới và hệ thống chụp ảnh có độ phân giải cực cao.

Trong nhiều thập kỷ qua, việc thu nhỏ các thiết bị quang tử luôn khó khăn hơn đáng kể so với linh kiện điện tử. Nguyên nhân nằm ở đặc tính vật lý của ánh sáng: ánh sáng rất khó bị giam giữ trong không gian cực nhỏ do bị giới hạn bởi bước sóng của chính nó. Với ánh sáng khả kiến và hồng ngoại gần, bước sóng này lớn hơn nhiều so với các thang kích thước dùng trong linh kiện điện tử, khiến chip quang tử vẫn còn khá cồng kềnh và các hệ thống quang học bị giới hạn về độ phân giải.

Trước đây, để đạt mức giam giữ ánh sáng dưới bước sóng, các nhà khoa học thường phải sử dụng kim loại. Tuy nhiên, kim loại lại hấp thụ và làm tiêu hao năng lượng ánh sáng. Nhóm nghiên cứu tại Đại học Bắc Kinh đã lựa chọn một hướng tiếp cận khác. Bằng cách thiết lập các phương trình tán sắc kỳ dị, họ phát hiện ra các hàm sóng có hình dạng đặc trưng giống loài kỳ lân biển, cho phép giam giữ ánh sáng trong thể tích sâu dưới bước sóng ngay trong các vật liệu điện môi hoàn toàn trong suốt.

Các hàm sóng “kỳ lân biển” này kết hợp khả năng khuếch đại cục bộ với sự suy giảm theo không gian, giúp ánh sáng được hội tụ và nén lại vượt xa giới hạn thông thường mà không gây tổn hao năng lượng. Khi thể tích mode càng nhỏ, tương tác giữa ánh sáng và vật chất càng mạnh.

Nhóm nghiên cứu gọi hướng tiếp cận mới này là “singulonics” (quang tử kỳ dị) - lĩnh vực được kỳ vọng có thể vượt qua sự đánh đổi lâu nay giữa khả năng giam giữ ánh sáng và tổn hao năng lượng. Khác với các phương pháp dựa trên kim loại, cách tiếp cận này mở ra khả năng đạt mức giam giữ ánh sáng dưới giới hạn nhiễu xạ mà vẫn duy trì hiệu suất cao.

Thành tựu này có ý nghĩa đối với nhiều lĩnh vực. Các chip quang tử có thể được thu nhỏ và tích hợp dày đặc hơn, các công nghệ lượng tử có thêm nền tảng phát triển, trong khi các hệ thống chụp ảnh quang học có thể đạt độ phân giải cao hơn. Khi tương tác ánh sáng - vật chất được tăng cường mà không gây tiêu hao năng lượng, các thiết bị quang tử thế hệ mới sẽ tiến gần hơn tới khả năng ứng dụng thực tế.

N.P.A (NASTIS), theo Peking University