Kỳ tích vật lý: Lần đầu tiên ánh sáng ‘nhảy bậc’ như electron

Các nhà vật lý vừa đạt được một kỳ tích tưởng chừng bất khả thi: khiến các hạt ánh sáng (photon) dịch chuyển theo từng bước lượng tử hóa chính xác tuyệt đối, mô phỏng hoàn hảo hiệu ứng Hall lượng tử vốn chỉ tồn tại ở các electron khác nhau.

Nghiên cứu vừa được nhóm nhà khoa học quốc tế từ Đại học Montréal (Canada) công bố trên tạp chí Physical Review X vào ngày 1-3. Đây được xem là bước ngoặt trong ngành quang học lượng tử, vì nó chứng minh rằng các pha tôpô của vật chất, khám phá vĩ đại từng đoạt giải Nobel Vật lý 2016, hoàn toàn có thể được tái hiện và điều khiển thông qua các hạt không mang điện như photon.

Rào cản tưởng không thể vượt qua: bắt ánh sáng “nhảy bậc”

Để hiểu được tầm vóc của phát hiện này, cần biết rằng hiệu ứng Hall lượng tử là một hiện tượng vô cùng đặc biệt. Khi các electron bị “giam cầm” trong một vật liệu siêu mỏng và đặt dưới từ trường cực mạnh ở nhiệt độ thấp, điện áp của chúng không tăng tiến đều đặn mà nhảy theo từng bậc thang cố định. 

Tính chất “bậc thang” này chính xác đến mức nó chỉ phụ thuộc vào các hằng số cơ bản của vũ trụ, bất kể vật liệu đó làm bằng gì hay có hình dạng ra sao. Chính sự kỳ diệu này đã mang về giải Nobel năm 1985 (phát hiện hiệu ứng), 1998 (hiệu ứng phân số) và gần nhất là 2016 (giải mã các pha tôpô).

Tuy nhiên có một rào cản vật lý tưởng chừng không thể vượt qua: hiệu ứng này vốn dựa trên điện tích. Electron mang điện nên dễ dàng bị từ trường “uốn nắn”, trong khi hạt ánh sáng (photon) lại trung hòa về điện và không hề phản ứng với từ trường theo cách tự nhiên. 

Do đó việc bắt ánh sáng “nhảy bậc” lượng tử giống như electron từ lâu đã là một bài toán hóc búa bậc nhất, một thử thách mà giới vật lý hằng khao khát chinh phục để chứng minh tính phổ quát của các quy luật lượng tử.

Bằng các kỹ thuật thực nghiệm tiên tiến, nhóm nghiên cứu đã chứng minh được sự dịch chuyển ngang lượng tử của ánh sáng một cách hoàn hảo. Giáo sư Philippe St-Jean từ Đại học Montréal khẳng định: “Ánh sáng hiện đã dịch chuyển theo cách lượng tử hóa, tuân theo các bước phổ quát tương tự như những gì chúng ta thấy ở electron dưới từ trường mạnh”.

Kỷ nguyên đo lường mới và máy tính lượng tử chạy bằng ánh sáng

Thành tựu này mở ra một kỷ nguyên mới cho ngành đo lường học. Hiện nay đơn vị khối lượng (kilôgam) được định nghĩa dựa trên các hằng số cơ bản của tự nhiên thông qua điện trở Hall lượng tử của electron. Việc tái tạo thành công hiệu ứng này bằng ánh sáng cho phép thiết lập các hệ thống tham chiếu quang học phổ quát. 

Điều này có nghĩa là trong tương lai, mọi quốc gia có thể dùng ánh sáng để định nghĩa các đơn vị đo lường với độ chính xác tuyệt đối mà không cần dựa vào bất kỳ vật thể vật lý nào.

Nghiên cứu còn có ý nghĩa sống còn đối với công nghệ thông tin. Bằng cách áp dụng các pha tôpô vào quang học, các nhà khoa học có thể thiết kế các thiết bị quang tử thế hệ mới. Đây là nền tảng để tạo ra các máy tính lượng tử chạy bằng ánh sáng với độ bền bỉ cực cao, khả năng truyền tải và xử lý dữ liệu mạnh mẽ mà không bị nhiễu loạn bởi môi trường bên ngoài – một đặc tính ưu việt vốn có của các trạng thái tôpô.

Thành công này không chỉ là một vinh quang về mặt lý thuyết, mà còn là minh chứng cho trình độ điều khiển ánh sáng thượng thừa của con người, hiện thực hóa những lý thuyết đoạt giải Nobel vào các ứng dụng công nghệ thực tiễn, tin cậy và chính xác hơn bao giờ hết.

Vũ trụ thuở sơ khai có ánh sáng hay là đêm đen?

Ánh sáng hiện diện khắp nơi trong vũ trụ, nhưng liệu nó có xuất hiện ngay sau vụ nổ Big Bang? Câu trả lời ngắn gọn là ‘không’, nhưng hành trình khai sinh của ánh sáng lại là một câu chuyện kỳ diệu, kéo dài hàng triệu năm.