Các nhà khoa học phát hiện tinh thể xoắn sử dụng “giả trọng lực” để bẻ cong ánh sáng giống như lỗ đen

Tinh thể quang tử là các cấu trúc nano quang học có ảnh hưởng đến sự lan truyền của các hạt photon trong nó tương tự như cách mà các tinh thể bán dẫn tác động lên chuyển động của electron.

Tinh thể quang tử là một cấu trúc quang học đều đặn được tạo thành từ môi trường được sắp xếp tuần hoàn với các chiết suất khác nhau. Vì vật liệu này có dải cấm quang tử nên nó có thể chặn các photon có tần số cụ thể, từ đó ảnh hưởng đến chuyển động của các photon. Hiệu ứng này tương tự như hiệu ứng của tinh thể bán dẫn đối với hoạt động của các electron. Do ứng dụng của chất bán dẫn trong điện tử, người ta suy đoán rằng chuyển động của photon có thể được điều khiển thông qua các thiết bị làm từ tinh thể quang tử, chẳng hạn như việc tạo ra máy tính quang tử.

Tuy nhiên, tinh thể quang tử không chỉ có thể điều khiển sự truyền ánh sáng mà còn mô phỏng hành vi của ánh sáng trong trường hấp dẫn mạnh. Điều này là do những thay đổi về hình dạng hoặc kích thước của tinh thể quang tử sẽ làm cho tính tuần hoàn của nó thay đổi, do đó làm thay đổi cấu trúc dải và thế năng hiệu dụng của nó. Nếu chọn đúng thông số, chúng ta có thể làm cho thế năng hiệu dụng này tương tự như trường hấp dẫn và để ánh sáng đi theo quỹ đạo cong - đây là hiệu ứng giả hấp dẫn.

Tinh thể quang tử được tạo thành từ môi trường được sắp xếp tuần hoàn với các chiết suất khác nhau. (Ảnh minh họa).

Hiệu ứng giả hấp dẫn là hiện tượng trong đó một loại tinh thể mới bẻ cong ánh sáng giống như lỗ đen. Nó làm cho ánh sáng đi chệch khỏi đường thẳng thông thường của nó. Các tác giả của nghiên cứu mới, được công bố trên tạp chí Physical Review A, cho biết hiện tượng này có thể được sử dụng trong công nghệ truyền thông 6G . Bởi vì các tinh thể bắt chước những gì xảy ra khi ánh sáng đi qua lỗ đen và các vật thể khác trong không gian cực kỳ đậm đặc, kỹ thuật mới này cũng có thể được sử dụng để nghiên cứu cái gọi là lực hấp dẫn lượng tử, một lý thuyết kết hợp cơ học lượng tử và thuyết tương đối của Einstein.

Theo thuyết tương đối, ánh sáng và các sóng điện từ khác bị ảnh hưởng bởi trọng lực. Đây được gọi là thấu kính hấp dẫn và các nhà thiên văn học từ lâu đã sử dụng nó để nghiên cứu các vật thể không gian có khối lượng lớn như chuẩn tinh. Việc tái tạo hiệu ứng này trong môi trường phòng thí nghiệm là điều khó khăn do cần có khối lượng khổng lồ, nhưng các nhà khoa học từ lâu đã nghi ngờ rằng họ có thể mô phỏng hiện tượng này bằng cách sử dụng vật liệu tinh thể.

Vòng xoắn Esherby đã được sử dụng để tạo ra các dây nano xoắn ốc như cây thông. (Ảnh minh họa).

Để đạt được mục tiêu này, Kyoko Kitamura, giáo sư tại Trường Kỹ thuật sau đại học tại Đại học Tohoku ở Nhật Bản, và các đồng nghiệp của cô đã bắt đầu với tinh thể quang tử. Họ đã khai thác một khiếm khuyết của tinh thể gọi là sự lệch trục vít, một "lỗi" trong cấu trúc tinh thể có trật tự tạo ra lực xoắn - "Vòng xoắn Esherby", được đặt theo tên của nhà khoa học John D. Esherby, đã được sử dụng để tạo ra các dây nano xoắn ốc như cây thông. Nhưng nghiên cứu này là lần đầu tiên kỹ thuật xoắn Escherby được sử dụng để tạo ra các tinh thể làm từ các lớp chất bán dẫn hai chiều xếp chồng lên nhau có độ dày nguyên tử.

Nhóm nghiên cứu dần dần xoắn những tinh thể này, phá vỡ mạng tinh thể, sau đó truyền một chùm tia xuyên qua các tinh thể và quan sát độ lệch của chúng. Họ phát hiện ra rằng đường đi của ánh sáng bên trong tinh thể rất giống với đường đi của nó trong trường hấp dẫn mạnh. Họ còn phát hiện ra rằng góc mà ánh sáng bị lệch có liên quan đến mức độ biến dạng của tinh thể.

Đường đi của ánh sáng bên trong tinh thể rất giống với đường đi của nó trong trường hấp dẫn mạnh. (Ảnh minh họa).

Kitamura cho biết: “Giống như trọng lực làm cong quỹ đạo của một vật thể, chúng tôi đã tìm ra cách bẻ cong ánh sáng bên trong một vật liệu cụ thể”.

Điều khiển ánh sáng theo cách này là một con đường tiềm năng cho công nghệ truyền thông thế hệ tiếp theo. Thế hệ công nghệ truyền thông tiếp theo sẽ cần gửi thông tin ở dải tần terahertz hoặc trên 100 gigahertz. Các nhà nghiên cứu tin rằng việc điều khiển ánh sáng một cách sáng tạo là một cách để đạt được những tần số này. Vật liệu mới cũng có thể có ứng dụng trong nghiên cứu.

Masayuki Fujita, phó giáo sư tại Đại học Osaka ở Nhật Bản và đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết trong một tuyên bố: “Về mặt học thuật, những phát hiện này cho thấy tinh thể quang tử có thể khai thác hiệu ứng hấp dẫn, mở ra một con đường mới trong lĩnh vực vật lý graviton”.

Có sự tương đồng đáng kinh ngạc giữa công thức này và công thức mô tả trường hấp dẫn. (Ảnh minh họa).

Sự hiện diện của sự lệch trục vít gây ra những thay đổi về tính tuần hoàn của tinh thể, do đó làm thay đổi tính chất quang học của nó. Sự thay đổi này có thể được mô tả bằng các công thức toán học. Các nhà nghiên cứu tìm thấy sự tương đồng đáng kinh ngạc giữa công thức này và công thức mô tả trường hấp dẫn. Điều này có nghĩa là sự lệch trục vít có thể mô phỏng tác động của trường hấp dẫn.

Một ví dụ về hiệu ứng này là sự lệch hướng của ánh sáng. Khi ánh sáng truyền qua một tinh thể có sự lệch trục vít, nó sẽ đi theo một đường cong. Đường đi này rất giống với đường đi của ánh sáng trong trường hấp dẫn mạnh. Đây là hiệu ứng giả hấp dẫn.

Một ứng dụng của hiệu ứng giả hấp dẫn là công nghệ truyền thông 6G. Công nghệ truyền thông 6G đề cập đến công nghệ truyền thông không dây sử dụng dải tần terahertz. Nó có tốc độ cao hơn và độ trễ thấp hơn so với công nghệ truyền thông 5G hiện tại. Tuy nhiên, sự lan truyền của sóng terahertz bị suy giảm mạnh và bị phân tán bởi bầu khí quyển. Vì vậy, cần có một công nghệ có thể kiểm soát hướng và hình dạng của sóng terahertz một cách hiệu quả.

Ứng dụng khác của hiệu ứng giả hấp dẫn là nghiên cứu lực hấp dẫn lượng tử. (Ảnh minh họa).

Hiệu ứng giả hấp dẫn có thể cung cấp một kỹ thuật như vậy. Bằng cách thay đổi hình dạng hoặc kích thước của tinh thể lệch trục vít, chúng ta có thể thay đổi góc lệch của ánh sáng. Bằng cách này, chúng ta có thể đạt được khả năng kiểm soát chính xác sóng terahertz. Điều này rất có lợi cho sự phát triển của công nghệ truyền thông 6G.

Một ứng dụng khác của hiệu ứng giả hấp dẫn là nghiên cứu lực hấp dẫn lượng tử. Lực hấp dẫn lượng tử là một lý thuyết cố gắng thống nhất cơ học lượng tử và thuyết tương đối. Nó có thể giải thích một số vấn đề khó khăn trong vật lý, chẳng hạn như điểm kỳ dị của lỗ đen và nguồn gốc của Vụ nổ lớn. Nhưng việc xác minh bằng thực nghiệm lực hấp dẫn lượng tử là rất khó vì nó đòi hỏi những điều kiện khắc nghiệt, chẳng hạn như năng lượng cực cao và quy mô cực nhỏ.

Hiệu ứng giả hấp dẫn có thể cung cấp một nền tảng mới cho việc xác minh thực nghiệm lực hấp dẫn lượng tử. Nó cho phép các nhà khoa học mô phỏng tác động của trường hấp dẫn trong phòng thí nghiệm và quan sát hành vi của các photon. Điều này có thể giúp chúng ta khám phá một số hiện tượng và bằng chứng về lực hấp dẫn lượng tử.

• Đại học Michigan chế tạo Silicon tinh thể từ kim loại lỏng
• Phát hiện hơn 2 triệu cấu trúc tinh thể mới, AI của Google rút ngắn 800 năm nghiên cứu cho nhân loại
• Giả tinh thể được tạo ra từ cát sa mạc và hệ thống dây đồng