Archive for the ‘Tin Khoa Học- Công Nghệ’ Category

Mô phỏng hàm sóng của một photon – (Courtesy: Jeff Lundeen and Charles Bamber)

Năm 2011 đã khép lại, hai trong số những chủ đề tốn nhiều giấy mực nhất đó là những câu hỏi liên quan đến ” Hạt Higgs boson – đã tìm thấy hay chưa”, và sự kiện liên quan đến kết quả của nhóm khoa học đến từ Italy ” Phải chăng các hạt neutrino di chuyển nhanh hơn ánh sáng ?”.

Trong khi cần phải mất vài tháng đến vài năm mới có câu trả lời một cách chính xác, trang physics world đã đề cử 10 thí nghiệm và kết quả khoa học nổi bật, được cộng đồng vật lý quan tâm không kém.

1. Quan sát quỹ đạo trung bình của các hạt photon trong thí nghiệm hai khe Young.

Nhóm tác giả : Aephraim Steinberg và đồng nghiệp, đến từ Toronto, Canada.

Dẫn đầu là thí nghiệm của nhóm Aephraim Steinberg và đồng nghiệp đến từ đại học Toronto, Canada, cho thí nghiệm liên quan đến các câu hỏi cơ bản nhất của cơ học lượng tử. Với phương pháp ” phép đo yếu”, nhóm đã thành công trong việc tìm đường đi trung bình của các hạt photon đơn lẻ thông qua thí nghiệm kinh điển – Hai khe Young. Thông tin chi tiết được đăng tải trên tạp chí Science tháng 6 năm 2011 với tiêu đề ” Observing the Average Trajectories of Single Photons in a Two-Slit Interferometer”.

Trao đổi với tạp chí Physics World, giáo sư Steinberg nói” hỏi về vị trí của các hạt photon trước khi đo được chúng là câu hỏi bất thường”. ” Nhưng giờ đây, chúng ta vẫn đang đặt những câu hỏi tường chừng như rất kì dị , và việc trả lời các câu hỏi đó làm thay đổi suy nghĩ và hiểu biết bấy lâu của chúng ta về thế giới vật lý.”

2. Phép đo trực tiếp hàm sóng lượng tử.

Nhóm tác giả : Jeff Lundeen, đến từ viện đo lường lượng tử, thuộc trung tâm nghiên cứu quốc gia Canada.

Tiến sĩ Jeff Lundeen, tốt nghiệp tiến sĩ tại đại học Toronto năm 2006, dưới sự hướng dẫn của giáo sư Aephraim Steinberg . Hiện tiến sĩ  Jeff Lundeen đang làm nghiên cứu viên tại viện đo lường lượng tử , thuốc NRC, Canada. Jeff Lundeen là tác giả chính của 3 bài báo trên Nature, 10 bài báo trên Physical Review Letters, và sở hữu 1 bằng sáng chế.

3. Tàng hình trong không-thời gian

Đứng ở vị trí thứ 3 là hai nhóm nghiên cứu, một đến từ đại học Cornell, Mỹ, của nhóm giáo sư Alexander Gaeta, và nhóm thứ hai đến từ đại học Imperial College London, Anh. Nhóm đến từ Anh đã đưa ra lý thuyết làm sao để tàng hình một sự kiện trong không gian và thời gian. Vài tháng sau, nhóm nghiên cứu đến từ đại học Cornell đã “chế tạo thành công” tấm thấu kính thời gian để có thể thực hiện được lý thuyết tàng hình. Nhóm cũng đưa ra những giới hạn vật lý của việc tàng hình trong không-thời gian.

4. Đo các tham số vũ trụ bằng lỗ đen

Nhóm tác giả, dẫn đầu là giáo sư Darach Watson và đồng nghiệp đến từ trường đại học Copenhagen, Đan mạch, và đại học Queensland, Úc đã sử dụng các lỗ đen với khối lượng siêu lớn – tạo ra các phản ứng hạt nhân vũ trụ – để làm ” thước đo” đo khoảng cách trong vũ trụ. Điều đáng quan tâm trong nghiên cứu này đó là các phản ứng hạt nhân vũ trụ xảy ra ở nhiều nời trong vũ trụ, không giống như các siêu tân tinh, nên chúng có thể làm ” thước đo” dài hạn hơn cho các thí nghiệm đo lường trong không gian.

5. Biến bóng tối thành ánh sáng

Nhóm tác giả đến từ Thụy Điễn dẫn đầuu là giáo sư Christ Wilson, đã lần đầu tiên quan sát thành công hiệu ứng Casimir động trong phòng thí nghiệm. Hiện ứng này xảy ra khi một tấm gương di chuyển cực nhanh qua một vùng chân không tạo ra các hạt photon ảo – các hạt luôn xuất hiện rồi tan biến – dính lại và tạo ra các photon thực, và có thể đo đạc được. Nhóm đã sử dụng thiết bị giao thoa siêu dẫn lượng tử ( superconducting quantum interference device) thay cho tấm gương.

6. Đo nhiệt độ vũ trụ sơ khai

Nhóm tác giả đến từ Mỹ, Ấn độ và Trung Quốc đã đưa ra số liệu chính xác nhất liên quan đến nhiệt độ của vũ trụ sơ khai, khi nó là tập hợp của các hạt quarks và gluons. Nhiệt độ này nằm trong khoảng 2 nghìn tỉ độ Kelvin. Số liệu này sẽ rất có ích cho các lý thuyết liên quan đến sắc động lực học lượng tử cũng như đến tính chất của các hạt neutrons, protons và hadrons.

7. Vị trí thứ 7 dành cho nhóm khoa học đến từ trung tâm thí nghiệm Tokai-to-Kamioka, Nhật Bản. Nhóm đã bắn các dòng hạt muon neutrino xuống dưới độ sâu 300 km, trước khi đến được máy đó, và đã phát hiện 6 hạt neutrinos đã thay đổi dao động, chuyển thành các hạt electron neutrinos. Mặc dù thí nghiệm vẫn chưa có độ tin cậy cao, những cũng làm cho các nhà lý thuyết tin tưởng vào dao động của neutrino, có thể chuyển đổi cấu hình từ muon neutrino sang electron neutrino.

8. Tia laser tạo từ tế bào sống
Nhóm nghiên cứu vật lý sinh học đến từ khoa Y đại học Harvard, do hai nhà khoa học Malte Gather và Seok Hyun Yun đã lần đầu tiên tạo ra nguồn tia laser từ một thực tể tế bào sống. Khám phá quan trọng này sẽ thúc đẩy các nghiên cứu trong lĩnh vực y sinh, đặc biệt là việc phân loại các tế bào ung thư và tế bào khỏe.

9. Máy tình lượng tử trong một thanh chip

Nhóm nghiên cứu dẫn đầu tời giáo sư Matteo Mariantoni và đồng nghiệp đến từ trường đại học California, Santa Barbara đã xậy dựng thành công cấu trúc “Von Neumann” lượng tự dựa trên các mạch điện tạo bởi các siêu dẫn và đã thực hiện hai thuật toán lượng tử cơ bản. Thiết bị sơ khai này được rất nhiều chuyên gia trong lĩnh vực máy tính quan tâm, và nó có thể mở ra kỉ nguyên máy tính mới – máy tính lượng tử toàn diện.

10. Khám phá các chất tàn dư từ Big Bang

Nhóm tác giả đến từ đại học California, Santa Cruz và đại học Saint Michael’s College ở Vermont đã lần đầu tiên thu thập được các tàn dư của vụ nổ Big Bang. Khác với các đám mây lấy từ các vụ trụ ở khoảng cách xa, hợp chất thu được của nhóm nghiên cứu chỉ gồm có các nguyên tố hiđro, helium và lithium, được cho đã xuất hiện ngay sau vụ nổ Big Bang. Nghiên cứu này mang nhiều thông tin hữu ích cho nguồn gốc hình thành của các sao và hệ ngân hà trong vũ trụ.

Bản tiếng Anh gốc được lấy từ :  Physics World

Advertisements

Veselago tên đầy đủ là Veselago Victor Georgievich, giáo sư vật lý tại Viện vật lý và kỹ thuật Matxcơva ( MIPT). Ông tốt nghiệp tiến sĩ PhD năm 1959, và Tiến sĩ khoa học năm 1974,  đều từ Viện vật lý Lebedev, cho đề tài nghiên cứu các trạng thái rắn trong môi trường từ trường. Ông là chuyên gia trong lĩnh vực vật lý, thông tin, và là giám đốc của nhánh vật liệu từ, thuộc viện hàn lâm khoa học Nga. ( GPI RAS).

Bài báo đầu tiên của ông trên một tạp chí khoa học Nga, Veselago,V.G, Sov.Phys.Usp (1968), 10, 509, cùng với việc kiểm chứng bằng thực nghiệm năm 2000, Smith, D.R, et al, Phy.Rev.Lett (2000) 84, 4184, đã đưa tên tuổi của ông đến với toàn thể giới, đặc biệt trong cộng đồng nghiên cứu vật liệu từ và vật liệu nhân tạo.

Ứng cử viên giải Nobel Vật Lý năm 2011

Câu chuyện bắt đầu từ việc đặt ra câu hỏi, tường chừng đơn giản nhưng lại hết sức thú vị về dấu của hai thành phần độ điện thẩm tương đối và độ từ thầm tương đối hay hằng  số điện môi và hằng số từ môi của vật liệu. Trong chương trình lớp 12, chiết suất có giá trị bằng căn bậc hai của tích hai hằng số này. Câu hỏi của Veselago khi đó là ” điều gì xảy ra khi chúng ta đổi dấu hai hằng số kia ? giá trị của chiết suất vẫn không đổi, vậy cái gì sẽ thay đổi và khác biệt so với vật liệu ban đầu ?

Câu trả lời, theo cách định tính đó là ” sẽ không có gì thay đổi, điều đó tương đương với việc điện động lực học sẽ không có gì khác biệt khi ta đổi dấu hai hằng số điện môi và từ môi”. Ông cũng nhận thấy rằng, các vật liệu tự nhiên hiện có đều loại trừ khả năng hai hằng số này có giá trị âm. Nhưng ông không thỏa mãn với câu trả lời ngắn ngọn đó, và sử dụng hơn 15 năm, sau khi tốt nghiệp tiến sĩ để tìm một đáp án thỏa mãn hơn cho câu hỏi ban đầu.

Ông bắt đầu từ 4 công thức tổng quát  của phương trình Maxwell, đó là những công thức căn bản nhất, liên hệ và thống nhất điện và từ vào một thực thể chung, điện từ trường.  Khi epsilon ( điện môi ) > 0 và mu ( từ môi)>0, vectơ sóng k , E và H được biểu thị dưới dạng right-handed ( qui tắc cánh phải). Khi epsilon < 0 và mu < 0, vectơ sóng k , E và H được biểu thị dưới dạng left-handed ( qui tắc cánh trái). Nhưng giá trị của vectơ mật độ, Poynting vectơ S, vectơ E ( điện trường ) và vectơ H ( từ trường) thì luôn luôn theo quy tắc cánh phải, và hoàn toàn không phụ thuộc vào dấu của 2 hằng số điện môi và từ môi.

Định luật Snell khi áp dụng cho trường hợp đổi dấu vẫn đúng, chỉ có điều được mở rộng thêm, đó là khi chiết suất âm, tia khúc xạ và tia tới sẽ cùng nằm một phía pháp tuyến, trái ngược với trường hợp cổ điển, khi chiết suất dương, tia tới và tia khúc xạ nằm ở 2 phía pháp tuyến khác nhau.

Veselago tiếp tục mạch suy luận của mình, với trường hợp Hiệu ứng chuyển vạch Doppler shift, khi đó dấu của chuyển vạch Doppler phụ thuộc vào dấu của chiết suất.  Tương tự với trường hợp Hiệu ứng bức xạ Cherenkov, thường thấy trong các lò phản ứng hạt nhân, khi các hạt điện tích di chuyển trong môi trường điện môi có vận tốc lớn hơn vận tốc pha của ánh sáng trong môi trường đó. Ông còn mô tả điều gì xảy ra khi sử dụng thấu kính giả- phẳng với chiết suất âm, và dự đoán về một lớp thiết bị sử dụng loại vật liệu nhân tạo này. Theo ông, thấu kính với kết cấu chiết suất âm cho phép chuyển đổi thực thể 3D thành hình ảnh không gian 3 chiều 3D mà không bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng quang sai, biến cong distortions.

Sau 15 năm nghiên cứu về hướng vật liệu sử dụng chiết suất âm, Veselago tóm lược kết quả đó vào năm 1967 và xuất bản công trình nghiên cứu của mình trên tạp chí của Nga, Veselago,V.G, Sov.Phys.Usp (1968), 10, 509. Câu hỏi trọng tâm của bài báo đó là ” Môi trường điện môi nào cho phép vật liệu quy tắc cánh trái tồn tại, và các đặc tính của chúng ra sao“. Ông cũng chỉ dẫn cách làm sao để có thể chế tạo ra lớp vật liệu quy tắc cánh trái này. Một hướng gợi ý, đó là sử dụng các bán dẫn từ, như CDCr_2Se_4. Vấn đề kho khăn khi đó ( những năm 1950-60) chính là kỹ thuật. Hướng thứ 2, đó là sử dụng hỗn hợp các điện tích và từ tích. Hướng này cho phép vật liệu có độ đẳng hướng cao, tuy nhiên khó khăn đó là, chưa phát hiện ra từ tích ( monopole), đến hiện tại, chúng ta vẫn bỏ ngỏ khả năng tồn tại từ tích này.

Phải chờ đến 30 năm sau, khi giáo sư Pendry, đến từ trường đại học IC London, Pendry, J.B. et al, IEEE Trans.Microw.Theory Tech (1999) 47, 2075,  gợi ý về việc chế tạo vật liệu 2 chiều là các vòng phân cảm ( split ring resonator-SRR), cho phép tạo ra từ thẩm mu(omega) < 0 trong khi các dây dẫn kim loại vẫn sử dụng epsilon(omega) < 1. Chưa đầy 1 năm sau, các nhà khoa học đến từ trường đại học California, UCSD, dưới sự hướng dẫn của giáo sư Sheldon Schultz , Smith, D.R., Schurig D., Rosenbluth M., Schultz S đã  kết hợp ý tưởng từ thẩm âm của Pendry với vật liệu có điện thẩm âm ( được nghiên cứu và phát hiện từ nhiều năm trước đó), để hoàn thành loại vật liệu nhân tạo, có chiết suất âm, Smith, D.R, et al, Phy.Rev.Lett (2000) 84, 4184, từ đó mở ra một chân trời vật lý mới, nơi sử dụng các vật liệu nhân tạo có đặc tính dị thường. Một trong những kết quả nổi bật của loại vật liệu này, đó là nó cho phép chế tạo các thiết bị vượt qua giới hạn nhiễu xạ , dự đoán cũng bởi giáo sư Pendry, và được kiểm chứng năm 2004 bởi Grbic,A and Eleftheriades, G.V, Phy. Rev. Lett (2004) 92, 117403.

Hiện tại, nhiều nhóm nghiên cứu đến từ các viện và trường đại học hàng đầu thế giới đang tham gia và lĩnh ực vật liều nhân tạo, chiết suất âm ( metamaterials ), như UCSD, MIT, ICLondon, Duke, ETH Zurich… và số lượng bài báo cũng như trích dẫn vẫn đang tăng một cách ngạc nhiên. Thống kê chưa đầy đủ của Microsoft Academic có thể miêu tả phần nào sức hút của lĩnh  nghiên cứu mới mẻ này. Sheldon Schultz, D. R. Smith, John B. Pendry.

Hiện tại, sự ra đời vật liệu nhân tạo chiết suất âm, metamaterials còn được sử dụng để nghiên cứu các lý thuyết vượt xa lĩnh vực vật liệu, vật lý chất rắn. Đơn cử như những hướng nghiên cứu và phát triển của nhóm tác giả Smolyaninov and Yu-Ju Hung, đến từ trường đại học Maryland, US. Trong bài báo mới nhất của nhóm với tiêu đề ” Hyperbolic metamaterial interfaces : Hawking radion from Rindler horizons and the ” end of time” “, bằng cách nghiên cứu các tính chất điện từ học trong môi trường không thời gian ba chiều ( 2 + 1 ) Minkowski, nhóm đã đưa ra những giả định hết sức thú vị khi không thời gian hiệu ứng tiếp xúc vuông góc với chiều space-like  và time-like ,trong vật liệu matematerial, có thể dẫn đến một trong hai kết cục, một mặt là chân trời sự kiện, hiệu ứng bức xạ Hawking, một kết cục khác là ” điểm cuối thời gian”, được mô tả trong một lọat các bài báo trên Nature Physics, Science, PRL của nhóm tác giả này.

Chỉ còn 2 tháng nữa, kết quả Nobel vật lý 2011 sẽ được công bố, hiện tại có thể là danh sách ứng cử viên đã được chốt hạ, và chủ nhân của giải Nobel Vật lý 2011 có thể đã được báo trước, giống như giải Fields, thường biết trước 2-3 tháng. Cộng đồng nghiên cứu vật liệu mới, tính chất và hiệu ứng lạ như metamaterials rất hy vọng những nhà tiên phong trong lĩnh vực của mình sẽ có tên trong danh sách đề cử, lớn hơn nữa là đọat giải năm nay. Chúng ta sẽ chờ xem, Veselago, Pendry, Smith hoặc thầy của ông, giáo sư Sheldon Schultz sẽ được xướng danh : Nobel Vật Lý 2011 !

Einstein@Home là chương trình sử dụng máy tính của người sử dụng trong trại thái không họat động để phân tích và tìm kiếm các sóng hấp dẫn từ các sao neutron, được gửi từ máy dò sóng hấp dẫn của Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) do các nhà vật lý đến từ Caltech và MIT xây dựng. Einstein@Home cũng được dùng để tìm kiếm các sao xung sóng radio ( radio pulsars) sử dụng dữ liệu chia nhỏ của trạm quan sát Arecibo Observation đặt tại Puerto Rico.

Artist's rendition showing the position of the discovered pulsar in  the red circle.

Hình minh họa vị trí của sao xung PSR J2007+2722(chấm đỏ) trong chòm sao Hồ Ly ( Vulpecula) tháng 8 vừa qua. Credit: Benjamin Knispel, Albert Einstein Institute

Chương trình này được khởi xướng năm 2005 nhân kỷ niệm 100 năm ra đời của thuyết tương đối ( hẹp) của Albert Einstein, được bảo trợ bởi Hội Vật lý Hoa Kỳ ( APS) cũng một số tổ chức khoa học khác. Hiện tại có trên 250 000 cộng tác viên đến từ gần 200 nước trên thế giới tham gia dự án này. Giữa tháng 8 vừa qua, nỗ lực của hàng trăm nghìn cộng tác viên và hàng triệu giờ họat động và phân tích trên máy tính đã có một kết quả xứng đáng.

Dear Einstein@Home volunteer,

I want to share some good news with you.

For more than a year, Einstein@Home has been using about
one-third of the available computer time to search for radio
pulsars in data from the Arecibo Observatory.  I’m happy to report
that we found our first radio pulsar last month: PSR J2007+2722.
It is still not sure, but this appears to be a rare type of object
called a Disrupted Recycled Pulsar.  The discovery was published
on-line by the journal Science, on Thursday August 12th.

Congratulations to our volunteers Chris and Helen Colvin (Ames, Iowa,
USA) and Daniel Gebhardt (Universitaet Mainz, Musikinformatik, German),
whose computers discovered the pulsar with the highest significance!

Further details of this first Einstein@Home discovery may be found
in the main news item posted on the Einstein@Home web site, at
http://einstein.phys.uwm.edu/ .  You can also use Google News
and similar searches, with keywords like ‘pulsar’ or ‘J2007+2722’
or ‘Einstein@Home’ to find recent news articles about the
discovery, in English, German, French, Spanish, Russian and other
languages.

So far, Einstein@Home has only analyzed about half of the Arecibo data
set.  Due to improvements in the instrumentation, the more recent data
is better-quality than the older data, so I am sure there are other
interesting objects to be discovered!

If you have trouble getting Einstein@Home to run, you may search
our user forums for help (http://einstein.phys.uwm.edu/forum_index.php)
or post a message asking for assistance in the “Getting Started” forum
at http://einstein.phys.uwm.edu/forum_forum.php?id=5

Sincerely,
Bruce Allen
Director, Einstein@Home

Tham khảo:

[1]: Einstein@Home tại đại học Wisconsin – Milwaukee http://einstein.phys.uwm.edu/

[2]: Citizen Scientists Discover Rotating Pulsar, http://www.nsf.gov/news/news_summ.jsp?cntn_id=117500&org=NSF&from=news

[3]: Thông cáo báo chí và kết quả trên Science Express, http://www.nsf.gov/news/news_images.jsp?cntn_id=117500&org=NSF

Truyền thông lượng tử sử dụng những nguyên lý cơ bản của cơ học lượng tử cho rằng không thể sao chép hoàn toàn một qubit – đơn vị truyền thông lượng tử [1]. Tuy nhiên, một trạng thái chưa được xác định của một quibit vẫn có thể giao tiếp lượng tử với một qubit khác, trong hệ chồng chập, là cơ sở để hình thành lên quá trình quantum teleportation ( viễn tải lượng tử ). Thí nghiệm đầu tiên của viễn tải lượng tử đã được thực hiện thành công năm 1998 [2], với khoảng cách chỉ 1 met. Các thí nghiệm sau đó với photon( đơn vị ánh sáng), trong đường quang học ( fiber) đã  đạt được khoảng cách lên tới hàng trăm mét. Tuy nhiên, những ứng dụng thực tế của thí nghiệm này vẫn chưa được thành công vì lưu truyền thông tin đòi hỏi một khoảng cách lớn hơn rất nhiều, vài trăm km. Một nhóm khoa học đến từ trường Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (USTC) kết hợp với Đại học Thanh Hoa vừa mới công bố một kết quả kinh ngạc liên quan đến lĩnh vực này. Họ đã thành công trong quá trình thực hiện viễn tải lượng tử trong môi trường không lưu dẫn ( không khí), với chiều dài lên tới 16 km [3].

H1. Kết quả nổi bật của nhóm nghiên cứu đến từ hai trường đại học hàng đầu của Trung Quốc, USTC và Thanh Hoa : truyền thông lựong tử với khoảng cách 16 km ngoài không khí. [3]

Kết quả này không chỉ chứng minh tính đúng đắn của viễn tải lượng tử trên lý thuyết, mà nó còn mở ra một thế giới  mới, nơi áp dụng công nghệ viễn tải và truyền thông lượng tử. Thí nghiệm vẫn sử dụng những giao tiếp cơ bản của viễn tải lượng tử sơ khai: Alice và Bob đều nhận một photon trong trạng thái chồng chập. Alice đo  photon của mình kết hợp với giữ kiện của qubit- chưa xác định và gửi kết quả tới Bob; với kết quả đó, Bob sử dụng photon của mình để xây dựng nên trạng thái qubit-chưa xác định kia. Để có thể truyền trong không khí ( free-space), nhóm nghiên cứu đã sáng chế một lọat hệ thống,  từ telescope ( kĩnh viễn vọng) đến hệ điều khiển tự động để tăng tính ổn định, và đặc biệt đảm bảo quá trình truyền thông tin tức thời. Hiệu suất của hệ thống đạt được tới 90%. Với kết quả này, nó hoàn toàn có thể mở ra một trang mới trong lĩnh vực truyền thông lượng tử -viễn tải lượng tử giữa các vệ tinh nhân tạo là một ví dụ điển hình.

[1] : W.K.Wootters, W.H.Zurek, The no-cloning theorem, Physics Today, Volume 62, Issue 2, Quick Study

[2]: G.P.Collins, Quantum Teleportation Channels Opened in Rome and Innsbruck, Physics Today, Volume 51, Issue 2, Search and Discovery.

[3]: Xian-Min Jin et al, Experimental free-space quantum teleportation,  Nature Photonics, 16 May 2010.

——-

Ngày mùng 6 tháng 8 năm 1960, tạp chí khoa học hàng đầu thế giới Nature đã đăng một bài viết vỏn vẹn có 240 từ và 2 hình ảnh của nhà vật lý Theodor Maiman – chuyên viên của phòng thí nghiệm Hughes, California, Mỹ với tiêu đề ” Stimulated Optical Radiation in Ruby“. Ít ai có thể ngờ rằng, chỉ một trang rưỡi giấy đó đã làm thay đổi bộ mặt khoa học và công nghệ của thế giới trong suốt 50 năm qua. Bài báo không nhắc đến từ LASER nhưng nó là khởi nguồn của một cuộc cách mạng trong khoa học và công nghệ, song song với những phát minh vĩ đại – bóng bán dẫn, mạch tích hợp và mạng internet.

H1. Hình ảnh nguyên lý họat động của laser đầu tiên trong bài báo 240 từ trên Nature [2] đã trở thành kinh điển của Theodor Maiman.

Xuất hiện trên trang 493-493 của tạp chí Nature 187 năm 1960, bài báo ghi lại ý tưởng và kết quả của Maiman khi ông sử dụng một chất phát quang và kĩ thuật bơm quang học để tạo ra quá trình phát xạ kích thích với bước sóng tạo ra là 6,943 A. Thanh kích họat là một sợi ruby chiều dài 1.0 cm được tráng trên hai mặt song song bởi một lớp bạc. Khi thanh ruby được kích xạ với năng lượng ở bước sóng 5,500A, các ion chromium trong ruby sẽ được đẩy lên lớp năng lượng cao hơn. Rồi từ từ phân rã bởi quá trình bức xạ tức thời, hình thành đỉnh kép với bước sóng 6,943A và 6,929A tại nhiệt độ phòng. Dưới điều kiện kích thích cực lớn, mật độ electron ở trạng thái bền ( metastable) lớn hơn mật độ electron ở trạng thái cơ bản ( ground state) ,dẫn đến quá trình đảo nghịch mật độ electron, cộng với quá trình phát xạ kích thích, khuếch đại ánh sáng được diễn ra. LASER chính là tên viết tắt của Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation hay quá trình KHẾCH ĐẠI ÁNH SÁNG BẰNG PHÁT XẠ KÍCH THÍCH.

H2. Hình ảnh tia maser trong bài báo [3] của A.Javan

Một năm sau bài báo nguyên bản của Maiman, các chuyên viên của phòng thí nghiệm Bell Labs, bang New Jersey, Mỹ đã công bố kết quả về hệ gas laser ( laser khí ) đầu tiên. Đăng trên tạp chí vật lý đầu ngành Phys.Rev.Lett.6, 106-110 (1961),với tiêu đề ”  Population Inversion and Continuous Optical Maser Oscillation in a Gas Discharge Containing a He-Ne Mixture” nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi tiến sĩ Ali Javan đã thành công trong việc tạo ra một sóng MASER liên tục với 5 bước sóng khác nhau trong vùng cận hồng ngoại. MASER có cơ chế tương tự như LASER, chỉ khác bước sóng được tạo ra ở vùng Microwave, hay vùng Sóng vi ba. Tia sóng được tạo ra có đường kính 1.1 cm và công suất 15 mW ở bước sóng 11,530 A.

Điều đáng chú ý, tại thời điểm đó chưa có những thiết bị quang-điện tử kết hợp  tinh tế để có thể xác nhận kết quả của nhóm. Họ đã không thể đo độ rộng linewidth sử dụng những thiết bị quang học thông thường bởi vì linewidth nhỏ hơn hàng trăm lần so với độ phân giải của những máy quang phổ hay phổ kế tốt nhất khi đó. Thay vào đó, nhóm nghiên cứu đã gợi ý một số phương pháp sử dụng thiết bị điện tử, đồng thời dựa trên phân tích phổ Fourier thông qua hệ thống khếch đại quang học ( photomultiplier).

Thanh kiếm laser trong bộ phim Chiến tranh giữa các vì sao

Chỉ vài năm sau, cái tên LASER đã trở nên phổ biến không chỉ trong giới hàn lâm mà cả trên các phương tiện truyền hình. Thanh kiếm LASER trong bộ phim kinh điển Star Wars với khả năng làm cháy lỏng mọi vật hay chém đôi quân thù chỉ là một trong vài ” đặc tính” của loại thiệt bị này. Trên thực tế, bộ phim khoa học viễn tưởng đó có thể mãi mãi chỉ là viễn tưởng nếu không có những phát triển quan trọng và đột quá của công nghệ LASER. Tiêu biểu phải kể đến những bước tiến như sự ra đời của semiconductor laser ( laser bán dẫn ) năm 1963, fiber laser ( laser ống quang học) năm 1986, và đặc biệt là quantum cascade laser ( laser sử dụng phương pháp bậc thang lượng tử ) năm 1994 cũng như blue laser diode ( laser điốt xanh ) năm 1996.

Năm 1963, một nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi tiến sĩ Herbert Kroemer thuộc phòng nghiên cứu trung tâm CRL thuộc Varian Associates, Mỹ đã miêu tả một hệ thống laser mới mang tên heterjunction injection lasers. Trước đó, laser mới chỉ được tạo ra dựa trên các bán dẫn thuộc chất liệu direct-gap, nay nhóm của ông đề xuất phương pháp laser dựa trên các chất bán dẫn indirect-gap đồng thời cải tiến và nâng cao hiệu suất với những laser direct-gap trước đó, bằng cách tạo ra một cặp heterojunction injectors  pha tạp nặng ( heavily doped) với năng lượng vùng trống cao hơn so với radiating bán dẫn. Nhóm công bố kết quả, có tới trên 27 cặp có khả năng tạo ra lệch lattice ( lưới), trong đó Ge-GaAs và GaP-AIP là những bán dẫn tổ hợp indirect-gap có thể tạo ra các laser vùng khả kiến.

H3. Fibre Laser [5] được phát triển bởi các nhà khoa học đến từ Anh quốc.

Đầu thập niên 90, khi người ta nghĩ rằng sẽ không còn những phát triển cơ bản nào trong công nghệ laser, khi có quá nhiều ứng dụng và thành công của công nghệ này dữa trên những phương pháp như laser bán dẫn hay laser fiber. Trụ cột của công nghệ thông tin và internet chính là hệ thống cáp quang hàng nghìn km lối các châu lục lại với nhau, và hàng trăm thiết bị quang học, điện tử sử dụng thiết bị laser làm phương thức truyền tài và giao tiếp thông tin. Nhưng phát kiến của một nhóm nghiên cứu đến từ Bell Labs đã làm thay đổi tất cả, từ tư duy cho đến hình thức. Năm 1994, đăng trên tạp chí nổi tiếng Science 264, 553-556, với tiêu đề Quantum cascade laser (QC laser), nhóm nghiên cứu của tiến sĩ Jerome Faist et al đã đề xuất hệ thống laser dựa trên phương pháp bậc thang lượng tử, khác biệt so với các laser diode được chế tạo trong nhiều thập niên trước đó. Ý tưởng chế tạo các QC laser đã có từ những năm 1970 tuy nhiên phải đợi đến các thí nghiệm và phát kiến của Jerome Faist, các ý tưởng đó mới thành hiện thực. Các cấu trúc bán dẫn lượng tử được nuôi bằng phương pháp molecular beam epitaxy và được thiết kế với kỹ thuật xây dựng vùng trống năng lượng ( band structure engineering).  Quá trình nghịch đảo mật độ electron ( population inversion) giữa các vùng dẫn riêng rẽ được thực hiện bằng việc điều khiển quá trình chui hầm lượng tử ( quantum tunnelling). Kết quả, một phổ hẹp- phát xạ mạnh trên ngưỡng năng lượng ( threshold) là bằng chứng rõ ràng của quá trình laser, tại bước sóng 4.2 micrometer, với đỉnh xung vượt quá 8 mW. Bước sóng của QC laser tạo bởi cơ chế quantum confinement ( hãm lượng tử), nằm trong vùng giữa của bước sóng hồng ngoại ( mid-infrared) tới bước sóng vi ba .

H4.Các nhà khoa học Nhật cũng có đóng góp quan trọng [7] trong quá trình phát triển và ứng dụng công nghệ laser.

Thành tựu gần đây nhất phải kể đến đó là sự ra đời của blue laser diode dựa trên phương pháp phát xạ kích thích bằng kích dòng ( current injection), khác với phương pháp bơm quang học ( optical pump) trước đó. Đăng trên tạp chí Jpn J. Appl. Phys.35,74-76(1996), nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi tiến sĩ Shuji Nakamura thuộc phòng công nghiệp hóa học Nichia, Nhật bản đã giới thiệu laser diode bán dẫn InGaN xanh sử dụng phương pháp kích điện ( electrically pump). Diode laser tạo ra dòng với công suất 215mW , bước sóng 417 nm, và FWHM là 1.6 nm dưới điều kiện kích dòng và nhiệt độ phòng.  Đây cũng là bước sóng phát xạ ngắn nhất từng được tạo ra bởi một laser diode bán dẫn ở thời điểm đó.

Đến thời điểm này, đã có trên 10 giải Nobel liên quan đến laser và các ứng dụng của nó trong nghiên cứu khoa học, cũng như công nghệ. Vai trò của công nghệ laser vẫn tiếp tục được khẳng định khi những sáng kiến mới liên quan đến nó được đưa ra và ứng dụng. Attosecond và một lọat bước tiến trong công nghệ đo lường với độ chính xác ở thang đo tương đương cũng sẽ được mở ra. Hãy cùng chờ xem !

Tham khảo

[1]. Milestones in laser developments: Nature Photonics 4, 281 (2010)

[2]. Nature 187, 493–494 (1960)

[3]. Phys. Rev. Lett. 6, 106–110 (1961)

[4]. Proc. IEEE 51, 1782–1783 (1963)

[5]. Electron. Lett. 22, 159–160 (1986)

[6]. Science 264, 553–556 (1994)

[7]. Jpn J. Appl. Phys. 35, 74–76 (1996)

(*) Nếu bạn muốn download những bài báo trên, bạn có thể gửi yêu cầu đến địa chỉ gmail: vatlyvn@goolemail.com

Nhóm nghiên cứu đến từ viện Nanoscale and Quantum Phenomena, thuộc trường đại học Ohio đã công bố hai kết quả nổi bật liên quan đến hệ siêu dẫn và hình ảnh spin nguyên tử.

Mặt siêu dẫn nhỏ nhất thể giới hiện nay được tạo bởi 4 cặp phân tử có chiều dài nhỏ hơn một nanomet.

Bốn cặp phân tử có chiều dài chỉ bằng 0.87 nm (Image courtesy of Saw-Wai Hla and Kendal Clark, Ohio University)

Nhóm nghiên cứu của phó giáo sư Saw-Wai Hla cũng công bố một kết quả khác rất được quan tâm, đó là những hình ảnh đầu tiên về spin nguyên tử.

Các cấu hình khác nhau của các nguyên tử Cobalt tạo bởi các hướng spin khác nhau.(Image: Saw-Wai Hla, Ohio University)

Spintronics được đánh giá là ngành có nhiều tiềm năng phát triển và làm thay đổi bộ mặt công nghệ trong vài năm tới, tuy nhiên, chưa một hình ảnh nào về spin nguyên tử được công bố – cho đến nay. Một nhóm nghiên cứu của hai trường đại học Ohio và Hamburg đã ghi lại được hình ảnh spin của các nguyên tử Cobalt trong môi trường chân không ( ultrahigh vacuum ) và ở nhiệt độ thấp, 10 Kelvin.

Thông tin chi tiết về  hai kết quả  nổi bật này đều được công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology.

Bạn có thể log in vào Gmail account – của vatlyvietnam để download 2 bài báo trên.