Dùng tia laser tạo ra được dòng điện siêu nhanh, các nhà khoa học cho thấy có thể dùng ánh sáng để điều chỉnh vật chất

Ta có một sợi thủy tinh mỏng hơn sợi tóc 1.000 lần, lấy nó nối hai mảnh kim loại lại, bắn vào đó một tia laser chỉ trong khoảng 0,0000000000000001 giây. Ta sẽ có được những điều kì diệu.

Trong một thoáng rất ngắn, vật chất giống thủy tinh này sẽ bị biến đổi thành một thứ giống kim loại. Tia laser sẽ tạo ra một dòng điện mạnh chạy qua mạch điện nhỏ này. Tốc độ tạo điện của cách thức này nhanh hơn bất kì cách tạo điện truyền thống nào. Hơn nữa, hướng và cường độ dòng điện có thể được điều khiển bằng những hình dạng tia laser khác nhau.

Có một nhà nghiên cứu tại Đại học Rochester, người đã có giả thuyết dự đoán rằng tia laser có thể tạo ra những dòng điện cực nhanh xuyên qua mối nối nhỏ mức nano, tin rằng anh có thể giải thích làm cách nào và tại sao các nhà khoa học lại tạo ra được dòng điện này trong thực tế.

Ignacio Franco, trợ lý giáo sư hóa học và vật lý, nói rằng: "Thử nghiệm này đã đánh dấu một ngọn cờ tiên phong mới trong việc điều khiển các elctron bằng tia laser". Anh phối hợp nghiên cứu với Liping Chen, một cộng sự nghiên cứu hậu tiến sĩ, Yu Chang và GuanHua Chen tại Đại học Hong Kong, tạo ra một mô hình máy tính nhằm tái tạo và làm rõ điều gì đã xảy ra trong thử nghiệm trên. Nghiên cứu này đã được đăng tải trên tạp chí Nature.

"Bạn không thể làm ra được một cái ô tô nhờ công nghệ này, nhưng bạn có thể tạo ra dòng điện nhanh hơn trước đây rất nhiều", Franco nói. "Bạn sẽ có thể phát triển được một mạch điện mức nano và hoạt động trong khung thời gian cực thấp. Nhưng, quan trọng hơn, đây sẽ là thử nghiệm tuyệt vời cho thấy những vật chất khác nhau có thể bị đẩy xa khỏi trạng thái cân bằng. Tia laser rung chuyển kết nối nano mạnh đến mức nó đổi cả thuộc tính của mình. Sự việc này cho ta thấy mình có thể sử dụng ánh sáng để điều chỉnh hoạt động bên trong vật chất".

Bộ Năng lượng Hoa Kỳ cũng liệt việc "điều khiển vật chất ở mức electron" vào danh sáng những thử thách mấu chốt mà các nhà khoa học nước này cần vượt qua. Họ muốn hiểu được vật chất sẽ ra sao nếu như đẩy rất xa khỏi trạng thái cân bằng.

Từ giả thuyết tới thử nghiệm rồi tới giải thích

Năm 2007, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ có tuyên bố trên. Cùng năm đó, nhà nghiên cứu Franco lúc ấy mới còn là sinh viên tại Đại học Toronto, đã là tác giả của một nghiên cứu trên Physical Review Letters với giả thuyết về một dòng điện cực mạnh, cực nhanh có thể được tạo ra nhờ một tia laser bắn vào một dây nối nhỏ ở mức phân tử.

Dây nối mức phân tử này được làm từ carbon, sẽ nối hai mảnh kim loại lại để tạo ra một mấu nối mức nano. Dòng điện xuất hiện nhờ hiệu ứng Stark, hiệu ứng mà tại đó mức năng lượng của vật chất sẽ bị biến đổi dựa trên sự xuất hiện của một trường điện từ tia laser. Nhưng lý thuyết chỉ dừng lại ở đó, khó có thể làm ra dây mỏng như trên và cũng rất khó để đo đạc những gì xảy ra trước khi tia laser phá hỏng mấu nối siêu mỏng này.

Cho đến năm 2013, thử nghiệm nghiên cứu được dẫn dắt bởi Ferenc Krausz tại Viện Quang Lượng tử Max Planck mới tạo ra được một dòng điện siêu nhanh nhờ một tia laser bắn vào một mấu nối. Không giống với giả thuyết của Franco, mấu nối này làm từ thủy tinh nối hai điện cực làm bằng vàng.

Vẫn chưa rõ tại sao lại thành công. Các nhà nghiên cứu tiếp tục đưa ra giả thuyết sâu hơn. Nhưng cho dù thành phần mấu nối khác, nhà nghiên cứu Franco vẫn nghi ngờ rằng đây là hiệu ứng Stark, được anh nhắc đến trong giả thuyết hồi năm 2007.

Mất 4 năm ròng để tạo ra được một chương trình giả lập máy tính, mất hàng triệu giờ tính toán xử lý bằng siêu máy tính, Franco cũng đã có được kết luận cuối cùng. Nghiên cứu này cho thấy giả thuyết và thử nghiệm vẫn luôn là đôi bạn song hành trong phát triển khoa học.

"Giả thuyết dẫn tới một thử nghiệm chẳng ai biết tại sao lại thành công, rồi lại cho ra thêm giả thuyết để có được thêm những thử nghiệm thành công hơn", Franco nói. "Đây là lĩnh vực chúng tôi vẫn còn cần tìm hiểu nhiều".

Tham khảo Rochester.edu