Các nhà nghiên cứu thuộc Khoa Kỹ thuật Điện và Máy tính Andrew và Erna Viterbi tại Viện Công nghệ Technion-Israel vừa công bố những quan sát thực nghiệm đầu tiên về bức xạ Cherenkov bị giới hạn trong không gian hai chiều. Kết quả này cho thấy kỷ lục mới về cường độ liên kết bức xạ điện tử, hé lộ các tính chất lượng tử của bức xạ.
Bức xạ Cherenkov là một dạng năng lượng có thể cảm nhận được dưới dạng ánh sáng màu xanh lam phát ra khi các hạt mang điện cấu tạo nên nguyên tử (electron và proton) chuyển động với tốc độ nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong một môi trường nhất định. Khi các hạt mang điện chuyển động nhanh hơn ánh sáng truyền trong nước, chúng sẽ làm xáo trộn trạng thái cân bằng năng lượng của các nguyên tử. Để lấy lại trạng thái cân bằng, các nguyên tử đó giải phóng các photon – loại hạt phát ánh sáng có thể nhìn thấy được, tạo ra “sóng xung kích” ánh sáng. Hiệu ứng đó tương tự như sự bùng nổ âm thanh khi có chuyển động nhanh hơn vận tốc âm thanh xảy ra, nhưng trên quang phổ ánh sáng.
Màu sắc khác nhau mà mắt người cảm nhận được thực chất là các loại song hạt khác nhau được tạo thành từ các photon. Do năng lượng phát ra lớn trong quá trình bức xạ Cherenkov, các photon truyền đi dưới dạng sóng có tần số cao và bước sóng ngắn, đặc trưng cho màu tím và xanh lam. Tần số càng cao và bước sóng càng ngắn thì ánh sáng càng xanh hoặc tím hơn đối với mắt người. Mắt người không nhìn thấy tia cực tím nhưng có thể quan sát được bằng cách chụp ảnh nhờ các công cụ đo bức xạ Cherenkov. Bức xạ Cherenkov thường xảy ra trong các vật liệu phóng xạ ngâm trong nước.
Một electron tự do duy nhất lan truyền phía trên cấu trúc phân lớp đặc biệt mà các nhà nghiên cứu đã thiết kế, cách vài chục nanomet. Trong quá trình chuyển động, electron phát ra các bức xạ rời rạc gọi là “photon”. Giữa electron và các photon mà nó phát ra, một mối liên hệ “vướng víu lượng tử” được hình thành (Nguồn: Ella Maru Studio)
Bức xạ Cherenkov là một hiện tượng vật lý độc đáo, trong nhiều năm đã được sử dụng trong chụp ảnh y tế và trong các ứng dụng phát hiện hạt, cũng như trong máy gia tốc điện tử điều khiển bằng laser. Bước đột phá mà các nhà nghiên cứu Technion đạt được đã liên kết hiện tượng này với các ứng dụng điện toán lượng tử quang tử trong tương lai và các nguồn sáng lượng tử điện tử tự do. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Physical Review X, do Giáo sư Yuval Adiv và Shai Tsesses từ Technion, cùng với Hao Hu từ Đại học Công nghệ Nanyang ở Singapore (hiện là giáo sư tại Đại học Nam Kinh, Trung Quốc). Nghiên cứu được giám sát bởi Giáo sư Ido Kaminer và Giáo sư Guy Bartal của Technion, với sự cộng tác của các đồng nghiệp đến từ Trung Quốc: Giáo sư Hongsheng Chen và Giáo sư Xiao Lin từ Đại học Chiết Giang.
Sự tương tác của các electron tự do với ánh sáng là cơ sở cho nhiều hiện tượng bức xạ đã biết và dẫn đến nhiều ứng dụng trong khoa học và công nghiệp. Một trong những hiệu ứng tương tác quan trọng nhất là bức xạ Cherenkov. Nó tương đương về mặt quang học với một vụ nổ siêu âm xảy ra, ví dụ, khi một máy bay phản lực di chuyển nhanh hơn tốc độ âm thanh. Do đó, bức xạ Cherenkov đôi khi được gọi là “sóng xung kích quang học”. Hiện tượng này được phát hiện vào năm 1934. Năm 1958, các nhà khoa học phát hiện ra nó đã được trao giải Nobel Vật lý. Kể từ đó, trong hơn 80 năm nghiên cứu, việc nghiên cứu bức xạ Cherenkov đã dẫn đến sự phát triển của vô số ứng dụng, hầu hết là dành cho máy dò nhận dạng hạt và hình ảnh y tế. Tuy nhiên, bất chấp mối bận tâm lớn về hiện tượng này, phần lớn nghiên cứu lý thuyết và tất cả các chứng minh thực nghiệm đều liên quan đến bức xạ Cherenkov trong không gian ba chiều và mô tả nó dựa trên điện từ cổ điển.
Mới đây, các nhà nghiên cứu Technion đã công bố quan sát thực nghiệm đầu tiên về bức xạ Cherenkov 2D, chứng minh rằng trong không gian hai chiều, bức xạ biến đổi theo một kiểu hoàn toàn khác. Các nhà nghiên cứu đã thiết kế một cấu trúc đa lớp đặc biệt cho phép tương tác giữa các electron tự do và sóng ánh sáng truyền dọc theo bề mặt. Kỹ thuật thông minh của cấu trúc cho phép thực hiện phép đo bức xạ Cherenkov 2D. Tính chiều thấp của hiệu ứng cho phép nhìn bản chất lượng tử của quá trình phát xạ bức xạ từ các electron tự do: số lượng photon (hạt ánh sáng lượng tử) phát ra từ một electron và bằng chứng gián tiếp về “sự vướng víu” của các electron với sóng ánh sáng mà chúng phát ra. Trong bối cảnh này, “sự vướng víu” có nghĩa là sự tương quan giữa các tính chất của electron và tính chất của ánh sáng phát ra, sao cho việc đo cái này cung cấp thông tin về cái kia. Điều đáng chú ý là Giải Nobel Vật lý năm 2022 đã được trao cho việc thực hiện một loạt thí nghiệm chứng minh tác động của “sự vướng víu” lượng tử (trong các hệ thống khác với các hệ thống được chứng minh trong nghiên cứu hiện tại).
Kết quả của nghiên cứu gây bất ngờ nhất liên quan đến hiệu quả phát xạ bức xạ điện tử trong thí nghiệm: trong khi các thí nghiệm tiên tiến nhất trước thí nghiệm hiện tại đã đạt được chế độ trong đó chỉ có khoảng một trong số một trăm electron được phát ra. Nghiên cứu này đã thành công trong việc đạt được một chế độ tương tác trong đó mọi electron đều phát ra bức xạ. Nói cách khác, kết quả nghiên cứu có thể chứng minh sự cải thiện hơn hai bậc độ lớn về hiệu suất tương tác (còn gọi là cường độ ghép nối). Kết quả này giúp thúc đẩy sự phát triển hiện đại của các nguồn bức xạ điều khiển bằng điện tử hiệu suất cao. Trong nghiên cứu, các electron di chuyển gần đến bề mặt quang tử-plasmon dựa trên một kỹ thuật được phát triển trong phòng thí nghiệm của Giáo sư Guy Bartal. Vận tốc electron được thiết lập chính xác để thu được một cường độ ghép lớn, lớn hơn cường độ thu được trong các tình huống bình thường, trong đó sự ghép nối là với bức xạ ba chiều. Trọng tâm của quá trình là quan sát bản chất lượng tử tự phát của sự phát xạ bức xạ, thu được trong các nhóm năng lượng rời rạc gọi là photon. Bằng cách này, thí nghiệm đã làm sáng tỏ bản chất lượng tử của photon.
Từ khóa: bức xạ; Cherenkov; điện tử;
– CMD&DND –
