Từ laser cổ điển đến laser lượng tử Đội nghiên cứu của Rainer Blatt và Piet Schmidt ở trường đại học Innsbruck vừa hiện thực hóa thành công một laser đơn nguyên tử, biểu hiện những tính chất của một laser cổ điển cũng như những tính chất cơ lượng tử của tương tác nguyên tử-photon. Các nhà khoa học đã công bố kết quả của họ trên tạp chí Nature Physics. Laser đầu tiên đã được phát triển cách nay 50 năm. Ngày nay, chúng ta không thể tưởngtượngnổi cuộcsống nếu khôngsự sản sinh nhântạo ra các sóng ánh sáng– laserđã trở thành một bộ phận không thể thiếu trong nhiều ứngdụngsử dụng tronglĩnhvực truyền thông, gia dụng,y khoa,và trong nghiêncứu. Một laserthường gồm mộtmôi trường hoạttính, được bơmbằng điện hoặc bơm quang học, bên trong một hộp cộng hưởngquang cótínhphản xạ cao. Ánh sáng ở trong hộp phản xạ tới lui ở dạng cácmode nhờ đó nó được khuếch đạiliên tục.Một trong những đặcđiểm nổi bậtcủa một lasercổ điển là sự tăng đột biếncông suất phátkhi đạt tới mộtngưỡngbơm nhất định. Tại điểm này thì độ lợi(sự khuếch đại bởi môi trường) cân bằng với độ thất thoát ánhsángchạy tronghộp. Hiện tượng này gây ra bởi sự khuếch đại của tươngtác giữa ánhsángvà các nguyên tử: Càng có nhiều photoncó mặt trong một mode, thì sự khuếch đại ánhsáng trong modeđó càng mạnh. Sự khuếch đại cảm ứngnày thườngthấy ở nhữnglaser vĩ mô gồm nhiều nguyên tử và photon. Các nhà nghiên cứu Innsbruck vừa chứngminhđược rằng có thể đạt tới một ngưỡng laser ở viên gạch cấu trúc khả dĩ nhỏ nhất của một laser: một đơn nguyên tử, tương tác vớimộtmode đơn trong hộp cộnghưởng quang. Một ioncalciumđơn lẻ được giamgiữ trong một cái bẫy ionvà đượckích thích bằng laserngoài. Một hộp cộng hưởngquang hết sức khéo léo gồm haicái gương,chúngbắt lấy và tích góp các photon phát ra bởi ion trênvào trongmộtmode. Ion trên đượckích thích theo chu kì bởi một laserngoàivà tại mỗi chu kì, một photon đượcthêmvào modecộng hưởng,kếtquả là ánh sángđược khuếch đại lên. Đối với sự ghép cặpmạnh giữa nguyêntử và hộp quang, chế độ của nguyên tử và hộp quangthể hiện hành trạng cơ lượngtử: Chỉ nhữngphoton độc thân mới có thể đưa vào trong hộp quang. “Hệ quả là sự phát xạ cảm ứngvà giátrị ngưỡng khôngcó mặt”,François Dubin, mộtnghiên cứu sinh hậu tiến sĩ ngườiPháp và tác giả thứ nhất của bài báo trên. Một“laser lượng tử” đã được chứng minh trong một chế độ tương tự cách đây vài năm trước. Cái mới trong thí nghiệm của các nhà nghiên cứu Innsbruck là khả năngđiềuchỉnh sự ghép cặp của nguyên tử với mode hộpquang. Bằngcáchchọn thông số thích hợp của laserđiều khiển, các nhà vật lí cóthể thu được sự kích thích mạnhhơn, và hệ quả là thêmđược nhiều photonvào tronghộp quang. Mặc dù vẫn chưacó tới một photonở trong hộp, nhưng các nhà nghiêncứu đã quansát thấy sự phát xạ cảm ứng ở dạngmột giá trị ngưỡng. “Mộtđơnnguyên tử là mộtbộ khuếch đại rất yếu. Hệ quả là giá trị ngưỡng kém nổi bật hơn nhiều so với ở những lasercổ điển”, PietSchmidtgiải thích. Một kích thích còn mạnh hơnnữakhôngmang lại một công suất phát cao hơn, đó là trường hợp ở một laser thông thường,và cả ở sự dập tắt công suất phát do sự giao thoacơ lượngtử. Điềunày góp phầntạo nên một giới hạn trongcủa những minilaser đơn nguyên tử. Do đó, các nhà nghiêncứu ở trườngđại học Innsbruck muốnnghiên cứu thêm sự chuyểntiếp giữa nhữnglaser lượngtử và laser cổ điểnthông qua việc thêm có kiểm soátngày càng nhiều ion tươngtác với trường ánhsáng. Chứng minh “hiệu ứng thác” trong tế bào quang điện Tế bào quang điện là dụng cụ quang điện, khi được chiếu ánh sáng nhìn thấy hoặc không nhìn thấy (như tia hồng ngoại) lên bề mặt điện cực, sẽ xuất hiện hiệu ứng quang điện, từ đó sinh ra một dòng điện. Điện cực của tế bào quang điện được chế tạo bằng kim loại (Xesi, Bari, Kali…) hoặc bằng chất bán dẫn. Ngày nay, tế bào quang điện được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị đo lường ánh sáng, thiết bị báo động, điều chỉnh tự động, điện báo ảnh, camera truyền hình và trong điện ảnh, v.v… Hiệu ứng thác”(avalancheeffect) –được tạo ra bởi các điệntử sinhratrong những tinh thể bándẫn cực nhỏ và đặc thù– đượcphát hiện và đo lườnglần đầu tiên vào năm 2004bởi các nhànghiên cứuở Phòng thí nghiệm quốcgia Los Alamos(Mỹ). Tuynhiên, từ đó đến naygiới khoahọc vẫn hoài nghivề sự tồn tại của hiệu ứngthác. Mới đây, nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Kỹ thuật Delft (Hà Lan) đã xác lập những chứng cứ không thể bác bỏ được về hiệu ứng thác. Trong nghiên cứu của mình,giáosư Laurens Siebbeles đã chứngminhhiệuứngthácthựcsự xảy ratrong các tinh thể nanocủa selenua chì (leadselenide– PbSe). Theo các chuyên gia, việc ứngdụngtế bào quangđiện (solar cell)đangmở ra cơ hội to lớncho việcsản xuất điệnqui mô lớn trong tươnglai. Tuynhiên,hiện tồn tại nhữnghạnchế đáng kể,chẳng hạn như đa số các tế bào quangđiện đều cócông suất tươngđối thấp(chỉ khoảng 15%)vàchi phí sản xuấtcao. Nhóm nghiên cứu của giáo sư Siebbeles đã khắc phục những hạn chế đó bằng cách sử dụng một dạng tế bào quang điện được chế tạo bằng những tinh thể nanobándẫn(cókíchthướctính bằng nanomét).Trong cáctế bàoquang điệnqui ước, 1 photon(lượng tử ánh sáng) chỉ có thể phóng thích đúng 1điện tử màthôi. Sự tạo ra điện tử tự do này là dấu hiệu cho biết tế bào quang điện đó hoạt động tốt và có khả năng cung cấp điện. Càng có nhiều điện tử được phóng thích thì công suất của tế bào quang điện càngcao. Tuy nhiên, trong một số loại tinh thể nano bán dẫn (semiconducting nanocrystals), 1 photon cókhả năngphóng thích 2đến3điệntử,từ đó tạo ra hiệu ứng thác. Về lý thuyết, hiện tượng này có thể tạo ra một công suất tối đa là 44% trong một tế bào quang điện có chứa những tinh thể nano bán dẫn phù hợp. Hơn nữa, chi phí sản xuất những tế bào này tương đốirẻ. Nhờ sử dụng các phương pháp laser cực nhanh để đo lường một cách chính xácvà chitiết,nghiên cứu của giáosư Siebbeles đượcđánh giá là đáng tin cậy hơn những nghiên cứu khácthuộc lĩnh vực này. Kết quả nghiên cứu của giáo sư Siebbeles và các cộng sự sẽ được công bố trên tập san khoa học Nano Letters trong tuần này. Ông Siebbeles tin rằng phát hiện mới này sẽ mở đường cho những khám phá sâu rộng hơn về bí mật của hiệu ứng thác. Hiệu ứngthác sẽ mở đườngcho việc sản xuất những tế bào quang điện công suất cao. (Ảnh: www.solarnavigator.net) . Từ laser cổ điển đến laser lượng tử Đội nghiên cứu của Rainer Blatt và Piet Schmidt ở trường đại học Innsbruck vừa hiện thực hóa thành công một laser đơn nguyên tử, biểu hiện những. tính chất của một laser cổ điển cũng như những tính chất cơ lượng tử của tương tác nguyên tử- photon. Các nhà khoa học đã công bố kết quả của họ trên tạp chí Nature Physics. Laser đầu tiên đã. nhà nghiêncứu ở trườngđại học Innsbruck muốnnghiên cứu thêm sự chuyểntiếp giữa nhữnglaser lượngtử và laser cổ điểnthông qua việc thêm có kiểm soátngày càng nhiều ion tươngtác với trường ánhsáng. Chứng