Thiết kế nanolaser từ sự rối loạn không thể tránh khỏi

Font size : A- A A+

Hiện nay, các nhà nghiên cứu trên thế giới đang tiến hành phát triển các chip quang có thể điều khiển ánh sáng bằng các cấu trúc nano. Chúng có thể được sử dụng cho các vi mạch trong tương lai dựa vào ánh sáng (photon) thay cho điện tử - có nghĩa là lượng tử thay thế điện tử. Nhưng có một điều đã được chứng tỏ là không thể đạt được các cấu trúc nano photon hoàn hảo: không thể tránh khỏi một chút chưa hoàn chỉnh. Giờ đây, các nhà nghiên cứu thuộc Viện Niels Bohr phối hợp với DTU (Technical University of Denmark) đã phát hiện ra rằng, các cấu trúc nano không hoàn hảo có thể cung cấp các chức năng hoàn toàn mới. Họ chỉ ra rằng các chip quang không hoàn hảo có thể được sử dụng để sản xuất "nanolasers", nguồn ánh sáng compac và có hiệu suất năng lượng cao. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên Tạp chí khoa học Nature Nanotechnology.

Các nhà nghiên cứu sử dụng các màng tinh thể quang tử cực nhỏ với chiều rộng màng 25 micromet (1 micromet bằng một phần ngàn milimet), và độ dày là 340 nanomet (1 nanomet bằng một phần nghìn micromet). Các tinh thể được chế tạo từ vật liệu bán dẫn asenua gali (GaAs). Họ khắc lên vật liệu các lỗ hợp quy ở khoảng cách 380 nanomet. Các lỗ này đóng vai trò như những tấm gương bên trong phản chiếu ánh sáng và vì thế có thể dùng để điều khiển sự truyền ánh sáng trong một chip quang. Các nhà nghiên cứu đã cố gắng đạt được các cấu trúc lỗ hợp quy càng hoàn thiện càng tốt để điều khiển ánh sáng trong một mạch quang nhất định.
 
 
Khai thác sự rối loạn không tránh khỏi
Nhưng trên thực tế, không thể tránh được những bất thường nhỏ trong quá trình chế tạo chip quang và điều này có thể là một vấn đề lớn, vì nó có thể dẫn đến việc mất mát ánh sáng và do đó làm giảm chức năng. Các nhà nghiên cứu thuộc Viện Niels Bohr giờ đây đã có thể biến vấn đề không hoàn hảo thành một lợi thế.
 
Theo Peter Lodahl, giáo sư và cũng là trưởng nhóm nghiên cứu Quang lượng tử thuộc Viện Niels Bohr, trường đại học Copenhagen cho biết, các chip quang chưa hoàn chỉnh cực kỳ phù hợp cho việc bắt các tia sáng. Khi ánh sáng chiếu vào một con chip không hoàn hảo, nó sẽ đập vào nhiều lỗ nhỏ bất thường (không đúng quy tắc), điều đó làm phản chiếu ánh sáng theo những hướng ngẫu nhiên. Do những phản chiếu tới lui, tự nhiên ánh sáng bị giữ lại trong cấu trúc nano và không thể thoát ra. Điều đó cho phép khuếnh đại ánh sáng, dẫn đến các điều kiện rất thuận lợi để tạo ra các tia laser compac hiệu suất cao.
 
 
Thử nghiệm với ánh sáng tạo sẵn
Các nhà nghiên cứu đã thiết kế ra các tinh thể photon và tiến hành thí nghiệm với ánh sáng tạo sẵn. Nguồn sáng được tích hợp vào chính tinh thể photon và bao gồm một lớp các nguyên tử nhân tạo có thể phát ra ánh sáng (thành phần cơ bản của ánh sáng là các photon). Các photon được truyền qua tinh thể trong như thủy tinh và có các lỗ nhỏ. Khi một photon va vào một lỗ, nó phản chiếu và được hướng vào ống dẫn sóng, đó là một "dấu photon" (photon track) và có thể sử dụng để định hướng các photon đi qua tinh thể quang tử. Tuy nhiên, do các lỗ không hoàn hảo nên ánh sáng sẽ chiếu tới và lui trong ống dẫn sóng của tinh thể quang tử, gia tăng cường độ và biến thành ánh sáng laser. Kết quả thu được là tia laser ở thang độ nanomet và có ứng dụng tiềm năng rất lớn.
 
 
Ước mơ về Internet lượng tử
Theo các nhà nghiên cứu giải thích, kết quả của thí nghiệm điều khiển ánh sáng và tạo ra ánh sáng laser ở thang độ nanomet có thể ứng dụng để chế tạo các vi mạch dựa vào photon thay cho điện tử, như vậy có thể đặt nền móng cho công nghệ truyền thông quang lượng tử trong tương lai. Với các nguồn laser tạo sẵn, chúng ta có thể kết hợp các linh kiện quang học và nó cho phép thực hiện các chức năng phức tạp. Ước mơ cuối cùng là tạo nên "internet lượng tử" là nơi thông tin được mã hóa trong các photon riêng biệt. Kết quả công trình nghiên cứu cho thấy sự rối loạn không tránh khỏi trong chip quang không phải đã là một giới hạn và thậm chí có thể khai thác trong các điều kiện thích hợp.


(Theo vista.gov.vn)

More