Ánh sáng có thể được thắt nút – theo đúng nghĩa đen. Các kỹ sư tại Đại học Duke đã thành công trong việc điều khiển các chùm tia laser để tạo ra những mô hình 3D phức tạp gọi là nút quang học (optical knots) bằng cách sử dụng các thiết bị được thiết kế riêng. Những chùm tia xoắn này trong tương lai có thể mang thông tin hoặc đo đạc độ nhiễu loạn trong không khí.
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu phát hiện rằng trong điều kiện thực tế – như không khí nhiễu loạn – những nút ánh sáng này dễ bị biến dạng hơn dự kiến. Để khắc phục điều đó, họ đã điều chỉnh hình dạng của nút để làm cho chúng bền vững hơn, mở ra những hướng đi mới trong việc ứng dụng ánh sáng một cách đầy bất ngờ.
Ánh sáng cũng có thể được “thắt nút”
Thông thường, nút được tạo ra bằng cách xoắn các vật thể dài và mềm dẻo – như dây giày hay sợi dây thừng – điều này khiến việc “thắt nút” một chùm ánh sáng nghe có vẻ bất khả thi.
Nhưng các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách để làm được điều đó.
Hãy tưởng tượng bạn ném vài hòn đá xuống ao cùng lúc. Các vòng sóng sẽ lan ra và giao thoa, tạo thành một mô hình phức tạp. Bây giờ, nếu bạn có thể kiểm soát chính xác tốc độ và hình dạng của mỗi vòng sóng, bạn có thể tạo ra các mô hình 3D phức tạp tại điểm giao nhau.
Các nhà khoa học đang áp dụng nguyên lý đó với ánh sáng. Bằng cách chồng nhiều chùm tia laser – mỗi chùm được điều chỉnh và định hình cẩn thận – rồi dẫn qua một loạt thấu kính, họ có thể tạo ra các mô hình giao thoa tạo thành một cấu trúc 3D ổn định gọi là nút quang học. Những mô hình này trông giống như mạng nhện mỏng manh hoặc vòng khói treo lơ lửng trong không trung.
Dải Hologram phân tách ánh sáng để “dệt” thành nút
Trong một nghiên cứu được công bố trên Nature Communications và Photonics Research, các kỹ sư tại Duke đã tiến xa hơn. Họ phát triển một thành tố hologram (ảnh nổi ba chiều, là hình ảnh 3D được tạo ra bằng cách sử dụng ánh sáng laser) có thể chia một chùm tia laser thành năm chùm tia có hình dạng tùy chỉnh, sau đó hợp lại thành một nút quang học được điều khiển chặt chẽ. Kỹ thuật này có thể được dùng để mã hóa thông tin hoặc đo độ nhiễu loạn trong không khí – mở ra những khả năng mới trong truyền thông và cảm biến môi trường.
Nhóm nghiên cứu cho thấy thông tin được mã hóa trong các nút quang học có thể tồn tại khi đi qua không khí nhiễu loạn – nhưng không dễ dàng như các nhà khoa học từng nghĩ.
“Nhiều người cho rằng vì những hình dạng này là các đối tượng toán học ổn định, nên chúng sẽ truyền qua môi trường phức tạp mà không gặp vấn đề,” GS. Natalia Litchinitser, Khoa Kỹ thuật Điện và Máy tính, Đại học Duke, cho biết. “Nhưng thực tế là chúng không tự nhiên ổn định – và chúng tôi có thể làm cho chúng ổn định hơn.”
Phòng thí nghiệm mô phỏng nhiễu loạn bằng… lò nướng mini
Để kiểm chứng, nhóm nghiên cứu dùng một thiết bị nhỏ giống lò nướng với quạt và tấm làm nóng để tạo ra dòng khí nhiễu loạn. Thay vì sử dụng sợi quang mô phỏng, họ muốn tái hiện thực tế với không khí thực, nhưng chỉ có không gian cỡ… bàn ăn.
“Chúng tôi dùng một thiết bị cỡ lò nướng nhỏ, đặt tấm nóng bên dưới và quạt để tạo nhiễu loạn,” Danilo Gomes Pires, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ, chia sẻ. “Sau đó thu nhỏ chùm tia sáng và phản xạ qua nhiều gương để mô phỏng đường đi gần 300 mét.”
Nếu không bị nhiễu loạn, chùm tia laser sẽ tạo thành một nút mượt mà với ba vòng lồng vào nhau. Nhưng khi nhiễu loạn tăng, nút bắt đầu tan rã, biến thành hai vòng lồng vào nhau, rồi một vòng đơn – làm mất đi thông tin chuyển tải bên trong.
Tuy nhiên, nhóm cũng phát hiện rằng sự tan rã không phải không thể tránh được. Bằng cách thêm các đoạn uốn lượn nhỏ – như biến đường trượt nước đơn giản thành mê cung ngoằn ngoèo – họ tạo thêm “điểm mốc” giúp nút duy trì ổn định lâu hơn.
Triển vọng lớn từ những nút nhỏ
Dù còn non trẻ – chỉ mới được phát hiện khoảng 20 năm nay – công nghệ nút quang học hứa hẹn nhiều ứng dụng. Chẳng hạn, có thể mã hóa thông tin vào hình dạng nút và truyền đi xa; đo mức độ nhiễu loạn không khí thông qua mức biến dạng của nút; và bẫy và điều khiển các hạt nhỏ trong không gian 3D bằng cấu trúc tinh vi của nút.
“Chúng tôi là nhóm đầu tiên cho thấy nút quang học có thể lan truyền qua nhiễu loạn thực tế. Từ đây, chúng tôi có thể tiếp tục mở rộng quy mô và khám phá cách hoạt động của chúng trong không gian bên ngoài,” GS. Litchinitser nói.
Các nhà khoa học đang tạo ra những nút quang học – mô hình 3D trong chùm laser – có thể mang dữ liệu hoặc phát hiện nhiễu loạn không khí. Ảnh minh họa: SciTechDaily.com
Chiếc hộp đen hình chữ nhật nơi tạo ra nhiễu loạn để ánh sáng laser đi qua. Thiết lập này cho phép các nhà nghiên cứu chứng minh tính ổn định của các nút quang học khi chúng đi qua vùng nhiễu loạn. Ảnh: Đại học Duke
