Ánh sáng siêu chảy là có thể

Sự siêu chảy – pha vật chất cho phép một chất lỏng leo lên thành bình chứa của nó – đã được biết tới từ hồi thập niên 1930. Kể từ đó, sự siêu chảy đã trở thành một thí dụ hoàn hảo của các hiệu ứng lượng tử có thể trông thấy được như thế nào ở cấp độ vĩ mô dưới những điều kiện nhất định. Mặc dù trước đây các nhà vật lí đã từng xét đến khả năng của ánh sáng siêu chảy, nhưng các kết quả của họ không có sức thuyết phục. Trong một nghiên cứu mới, các nhà vật lí ở Pháp đã chứng minh trên lí thuyết rằng chuyển động siêu chảy của ánh sáng thật sự là có thể, và họ đã đề xuất một thí nghiệm để quan sát hiện tượng trên.

Những hình ảnh cho thấy sự khác biệt giữa chế độ siêu chảy (trái) của ánh sáng và chế độ xoáy (phải), xảy ra ở trên vận tốc ngưỡng. Ảnh: Leboeuf và Moulieras.

Trong nghiên cứu mới của họ công bố trên một số ra mới đây của tạp chí Physical Review Letters, Patricio Leboeuf và Simon Moulieras ở trường đại học Paris-Sub và CNRS giải thích rằng sự siêu chảy là khả năng của một chất lỏng chuyển động mà không bị cản trở, hay độ nhớt zero. Một chất lỏng hành xử giống như một chất siêu chảy chỉ dưới một vận tốc tới hạn nhất định; ở trên vận tốc tới hạn này, sự siêu chảy biến mất. Được chứng minh thông dụng nhất ở helium lỏng, sự siêu chảy xảy ra khi helim bị làm lạnh và một số nguyên tử helium đã đạt tới năng lượng khả dĩ thấp nhất của chúng. Tại đây, các hàm sóng lượng tử của những nguyên tử này bắt đầu chồng chất nên chúng tạo thành một ngưng tụ Bose-Einstein, trong đó tất cả các nguyên tử hành xử như một nguyên tử lớn vậy, và bản chất lượng tử của chúng hiển hiện ở cấp độ vĩ mô.

Trước đây, các nghiên cứu về chuyển động siêu chảy của ánh sáng không làm sáng tỏ bằng chứng rõ ràng nào của sự tồn tại của một vận tốc tới hạn siêu chảy. Mặc dù một số thí nghiệm gần đây đã quan sát thấy sự siêu chảy có liên quan với ánh sáng, nhưng những thí nghiệm này không sử dụng các photon, mà sử dụng một hạt phức, gọi là polariton, đó là một hỗn hợp của một photon và một exciton.

Trong nghiên cứu này, Leboeuf và Moulieras đã chứng minh rằng một vận tốc tới hạn siêu chảy thật sự tồn tại trong một môi trường phi tuyến. Họ giải thích có thể quan sát ánh sáng siêu chảy như thế nào trong một ma trận điều sóng. Từ quan điểm động học, ánh sáng truyền qua một môi trường phi tuyến thì tương đương chính thức với một chất khí Bose gồm các hạt nặng đang tương tác. Ánh sáng có thể truyền thẳng theo các bộ điều sóng theo hướng dọc, hoặc nó có thể chui hầm giữa những bộ dẫn liền kề theo hướng ngang. Ưu điểm của cơ cấu này là nó cho phép các nhà khoa học thao tác kĩ thuật với những đặc điểm khác nhau của ma trận điều sóng và điều khiển được dòng ánh sáng.

Các nhà vật lí đặc biệt quan tâm đến cái xảy ra với một xung ánh sáng khi nó truyền qua một ma trận như thế ở những vận tốc khác nhau ttrong sự có mặt của một khiếm khuyết. Nếu ánh sáng bị tán xạ bởi chỗ khiếm khuyết, thì có nghĩa là quá trình tiêu hao năng lượng đã xảy ra. Nếu các xung ánh sáng đi qua chỗ khiếm khuyết mà không thay đổi hình dạng của nó (tức là không bị mất tính kết hợp), thì không có sự tiêu hao năng lượng và ánh sáng đó có chuyển động siêu chảy. Qua các tính toán của họ, các nhà vật lí trên đã chứng minh rằng, đối với những vận tốc thấp nhất định, chuyển động ngang của ánh sáng là siêu chảy với sự tiêu hao bằng zero. Khi vận tốc tăng lên, các quá trình tiêu hao xảy ra làm hỏng mất tính kết hợp của các dao động của ánh sáng, và sự siêu chảy bị phá vỡ.

Trong tương lai, các nhà vật lí trên dự tính nghiên cứu thêm nữa các chi tiết cụ thể của ánh sáng siêu chảy, thí dụ như nó có quan hệ như thế nào với một lí thuyết lượng tử cơ bản của ánh sáng và nó liên quan như thế nào với ngưng tụ Bose-Einstein. Họ dự báo rằng chuyển động siêu chảy là một tính chất chung của ánh sáng tồn tại trong nhiều kịch bản đa dạng, và nó không bị hạn chế với ma trận bộ điều sóng đã đề xuất ở đây. Ánh sáng siêu chảy có thể còn có các ứng dụng trong sự tối ưu hóa sự truyền ánh sáng.

“Một ứng dụng dễ thấy liên quan với sự truyền tín hiệu trong sự có mặt của sự nhiễu”, Leboeuf nói. “Một sự nhiễu như vậy thường luôn có mặt, vì bất kì chất liệu nào cũng có các khiếm khuyết và lẫn tạp chất. Các tạp chất là nguyên nhân gây ra sự tán xạ của ánh sáng. Trong chế độ siêu chảy, chúng ta muốn một xung ánh sáng có thể truyền qua một môi trường nhiễu mà không bị ảnh hưởng hay bị tán xạ (sự truyền qua hoàn hảo)”.

Leboeuf và Moulieras dự tính thực hiện thí nghiệm đã đề xuất của họ và hiện đang thương thuyết cơ hội hợp tác với các nhóm thực nghiệm tại Phòng thí nghiệm Quang học và Cấu trúc Nano (LPN) ở Marcoussis, Pháp. Tuy nhiên, các nhà khoa học trên cho biết ánh sáng siêu chảy không có khả năng có bất kì hiệu ứng kì lạ nào tương tự như một chất siêu chảy leo lên thành bình chứa của nó.

“Hiệu ứng lượng tử ‘kì lạ’ cơ bản nhất mà ánh sáng thể hiện liên quan đến sự siêu chảy là, như trình bày trong bài báo của chúng tôi, sự chuyển động không ma sát”, Moulieras nói. “Một hiệu ứng khác, mặc dù gián tiếp hơn hoặc đẹp đẽ hơn, liên quan đến các xoáy lượng tử hóa, chúng đã được quan sát thấy ở các hệ vân laser truyền qua các môi trường phi tuyến. Còn về những khả năng khác, thí dụ như chuyển động chất lỏng leo lên thành bình chứa, đối với các nguyên tử, chúng có liên quan đến các lực tương tác giữa những nguyên tử này và một chất, và sự cân bằng giữa các lực mao dẫn, trọng lực, và lực nhớt. Chúng tôi không thấy một ứng dụng trước mắt nào của những khái niệm này đối với các photon, và vì thế, chẳng kì vọng vào chúng đối với ánh sáng”.

Nguồn: PhysOrg.com