Phát triển công nghệ photon tương tự gươm ánh sáng trong Star Wars

Mới đây, các nhà khoa học tại đại học Havard và MIT đã chứng minh rằng trong một số điều kiện nhất định, photon có thể tương tác với nhau và hình thành các phân tử.

Theo họ, những nhóm photon được gọi là Photonic molecules có thể hình thành một dạng vật chất mới hoàn toàn - điều mà trước đây vẫn là giả thuyết. Kết hợp các đặc tính của ánh sáng và vật chất rắn, theo khía cạnh vật lý thì dạng vật chất mới này khá là giống với lightsaber - một loại vật liệu giả tưởng được dùng làm những thanh kiếm ánh sáng trong bộ phim Star Wars.

Giáo sư vật lý Mikhail Lukin đến từ Havard - lãnh đạo nhóm nghiêm cứu tại trung tâm hạt nhân siêu lạnh Harvard-MIT Center và người đồng nghiệp đến từ MIT - Vladan Vuletic cho biết: “Khi những photon này tương tác với nhau, chúng đẩy lùi và làm lệch hướng lẫn nhau. Hiện tượng vật lý xảy ra giữa các phân tử photon tương tự với những gì chúng ta thấy trong bộ phim Star War".

Photon không có khối lượng - điều này vẫn đúng tính đến thời điểm hiện tại nhưng nếu nói photon không tương tác với nhau thì đây là một thử thách đối với các nhà khoa học. Họ đã chứng minh được rằng trong một môi trường trung gian được chuẩn bị đặc biệt, photon có thể hoạt động bằng cách tương tác với các photon lân cận, gián tiếp thông qua các nguyên tử.

Ảnh: myparklist.com

Vậy cần có những điều kiện gì? Đầu tiên nhóm khoa học bơm các nguyên tử rubidium (Rb) vào một buồng chân không và làm lạnh chúng với các tia laser xuống đến nhiệt độ gần 0. Sau đó, họ bắn từng photon đơn lẻ vào đám mây nguyên tử Rb này.

Trong môi trường nguyên tử Rb, hoạt động của các photon tương tự như hiện tượng khúc xạ ánh sáng trong một cái ly đầy nước. Khi photon xâm nhập đám mây nguyên tử, chúng giải phóng một phần năng lượng vào môi trường. Các photon bắt đầu kích thích các nguyên tử trên đường di chuyển và kết quả là vận tốc của photon ngay lập tức bị chậm lại.

Tuy nhiên, sự trao đổi năng lượng giữa photon và nguyên tử bị chi phối bởi một hiệu ứng có tên gọi hiệu ứng chắn Rydberg. Theo đó trong một khối nhất định, không có 2 nguyên tử bị kích thích theo cùng một hướng. Tức là khi một photon đã kích thích một nguyên tử, nó phải di chuyển về phía trước trước khi một photon khác có thể thực hiện điều tương tự.

Các photon bắt đầu đẩy và kéo lẫn nhau trong môi trường và hoạt động rất giống các phân tử. Khi rời khỏi môi trường, photon trở lại trạng thái năng lượng ban đầu (năng lượng được truyền trở lại từ nguyên tử vào photon) nhưng chúng kết hợp với nhau tạo thành phân tử thay vì photon đơn lẻ.

Dĩ nhiên một loại vật liệu tương tự như lightsaber vẫn chưa thể xuất hiện trong tương lai gần nhưng phát hiện của Havard và MIT có thể mang lại nhiều ứng dụng quan trọng trên thực tế. Một lĩnh vực có thể khai thác lợi ích từ nghiên cứu trên là điện toán lượng tử. Hoạt động giống phân tử của các photon tiềm năng sẽ giúp các nhà khoa học tiến thêm một bước gần hơn trong việc chế tạo các cổng logic lượng tử. Ngoài ra, giáo sư Lukin cũng chỉ ra rằng với khả năng ràng buộc trạng thái photon theo ý muốn, họ có thể tạo ra những cấu trúc ánh sáng 3 chiều phức tạp và thậm chí là tiến gần đến công nghệ vũ khí sử dụng ánh sáng năng lượng cao như lightsaber.