Khám phá ra một loại laze mới

E-mail | Bản in | Lưu xem sau

Claire Gmachl, người dẫn đầu cuộc nghiên cứu cho biết “Khám phá này giúp hiểu sâu tính vật lý học của laze”. Gmachl, một kỹ sư điện và là giám đốc của Mid-Infrared Technologies for Health and the Environment (MIRTHE) center-Trung tâm về công nghệ hồng ngoại trung cho sức khỏe và môi trường.

Hiện tượng được khám phá trong một loại thiết bị được gọi là Laze tầng lượng tử (quantum cascade laser) mà trong đó một dòng điện  chạy qua một chất liệu được thiết kế đặc biệt tạo ra một tia laze.

 Nhóm của Gmachl đã khám phá ra rằng một laze tầng lượng tử mà họ làm ra thì tạo ra một tia phụ thứ hai với cường độ rất không bình thường, gồm nhu cầu điện ít hơn tia truyền thống.

 Gmachl cho biết “Nếu chúng ta có thể tắt tia truyền thống, chúng cuối cùng thì ta sẽ có được một laze tốt hơn mà có thể tận dụng hiểu quả điện hơn”.

 Nhóm thực hiện nghiên cứu gồm sinh viên của Gmachl tên Kale Franz là người đã tạo ra laze phát hiện ra hiện tượng mới. Còn có Stefan Menzel là một nghiên cứu sinh từ đại học Sheffield của Anh Quốc, cũng là người khám phá ra các đặc tính có một không hai của hiện tượng trong khi thực tập tại đại học Princeton hè vừa rồi.

 Nghiên cứu được công bố trực tuyến trên Nature Photonics vào 14-12. Ánh sáng được tỏa ra bằng một laze khác về mặt cơ bản với ánh sáng được tạo ra bởi các nguồn thông thường như mặt trời, lửa hay các bóng đèn điện.

 Theo lĩnh vực vật lý học là điện động lực lượng tử, ánh sáng thì được tạo ra bởi các phân tử được gọi là các lượng tử ánh sáng (photon). Các nguồn sáng thông thường phát ra các lượng tử ánh sáng theo một trật tự ngẫu nhiên, giống như các đám đông quanh một khu cợ đông đúc.

 Ngược lại, các lượng tử ánh sáng trong một laze thì “đồng bộ” với nhau, giống như một ban nhạc được sắp xếp.

 Đặc tính này được gọi là “sự gắn kết với nhau” cho phép ánh sáng laze chiếu tia hẹp và cường độ cao, một màu rất rõ.  

 Một cách để tạo ra một tia laze là phải đưa một dòng điện qua một chất bán dẫn như là gallium arsenide (GaAs). 

 Dòng điện bơm năng lượng vào vật liệu, đẩy nhiều electron lên mức năng lượng cao hơn bình thường.

 Dưới những điều kiện nào đó, những electron này giảm xuống  mức độ năng lượng thấp hơn và tỏa ra năng lượng thêm dưới hình thức các lượng tử ánh sáng đồng bộ hoá.

 Đây là cơ chế đầu tiên là cơ sở của các laze được dùng trong máy ghi CD, các thiết bị chiếu laze cũng như các thiết bị điện thông thường khác.

Laze được dùng trong nghiên cứu Princeton là một loại đặc biệt được gọi là một laze tầng lượng tử. Được tạo ra tại đại học Princeton, thiết bị dày khoảng 1/10 tóc người và dài 3 mm.

 Mặc dù kích thước rất nhỏ, nhưng laze làm từ hàng trăm các lớp chất liệu bán dẫn khác nhau. Mỗi lớp thì chỉ dày một vài nguyên tử. Trong thiết bị này, các electron đi qua các lớp khi chúng mất năng lượng và mất đi các lượng tử ánh sáng đồng bộ. 

 Trong nghiên cứu được công bố trước đây trên Applied Physics Letters vào tháng 6-2006, Franz, Gmachl và những người khác đã báo cáo rằng một laze tầng lượng tử mà họ tạo ra một cách bất ngờ đã phát ra một tia laze phụ có bước sóng nhỏ hơn một ít so với tia laze chính.

 Nghiên cứu sâu hơn bởi Menzel và những người khác đã phát hiện ra rằng tia phụ không thể giải thích được bằng lý thuyết về laze tầng lượng tử hiện tại. Không giống như một laze bán dẫn truyền thống, tia phụ mạnh hơn khi nhiệt độ gia tăng.

 Ngoài ra, dường như laze này cạnh trang với laze bình thường, trở nên yếu hơn bởi vì laze bình thường mạnh hơn khi có thêm dòng điện. Franz cho biết “Đó là cơ chế mới nhằm phát ra ánh sáng từ các laze chất bán dẫn”. 

 Để giải thích được cơ chế này, các nhà nghiên cứu đã dẫn chứng đặc tính lượng tử của các electron, được gọi là động lượng. Theo cách nhìn truyền thống về các laze tầng lượng tử, chỉ các electron có động lượng gần bằng 0 tham gia vào việc tạo ra ánh sáng laze. 

 Thêm vào đó, một số lượng lớn các electron phải thu được mức năng lượng và động lượng tương tự- trong một điều kiện được gọi là “gần như cân bằng” -trước khi chúng có thể tham gia vào hoạt động laze.

 Ngược lại, các nghiên cứu của nhóm Gmachl cho thấy rằng tia laze phụ xuất phát từ các electron có năng lượng thấp, nhưng động lượng cao hơn thì không ở trạng thái cân bằng.

 Franz cho biết “Điều này cho thấy, khác với những gì chúng ta vẫn tin, các electron thì có ích đối với việc phát ra laze thậm chí khi chúng ở trong các trạng thái rất không cân bằng”.

 Hiện tượng laze mới có một vài đặc điểm thú vị. Ví dụ, với laze truyền thống dựa trên các electron động lượng thấp, các electron thường hút lại các lượng tử ánh sáng được phát ra và điều này giảm được hiệu suất toàn bộ. 

 Tuy nhiên, với loại laze mới, việc hút này giảm đi bằng 90%, theo Franz cho biết. Điều này có thể cho phép thiết bị hoạt động ở những dòng thấp hơn. Đồng thời cũng làm cho loại laze này dễ tổn thương với các thay đổi về nhiệt độ”.   

 Ông cho biết “Chúng ta sẽ có thể cải thiện một cách đáng kể hoạt động của laze”. 

 Thiết bị được dùng trong nghiên cứu không hoàn toàn có được mức độ hoạt động như thế, bởi vì cơ chế laze ít hiệu quả, truyền thống chiếm ưu thế.

 Franz cho biết, để phát huy được khám phá mới này, cơ chế truyền thống sẽ cần phải chấm dứt. Các nhà nghiên cứu đã bắt đầu xem xét các phương pháp để đạt được hiệu quả này.

 Không giống như các laze khác, laze tầng lựơng tử hoạt động trong phạm vi hồng ngoại trung và hồng ngoại xa. Đồng thời có thể được sử dụng để phát hiện thậm chí những dấu hiệu nhỏ của bốc hơi,khí không màu sắc, NO và các khí khác mà hút ánh sáng hồng ngoại.   

 Kết quả là, những thiết bị này sẽ có những ứng dụng trong việc kiểm soát chất lượng không khí, chẩn đoán y khoa, an ninh cho quê hương và các lĩnh vực khác mà đòi hỏi việc phát hiện các hoá chất khác vô cùng nhạy.

 Gmachl cho biết, khám phá mới sẽ giúp những thiết bị này nhỏ hơn, hiệu quả hơn và nhạy hơn.

 Nghiên cứu được tại trợ một phần bởi trung tâm MIRTHE, được bảo trợ bởi National Science Foundation- Quỹ khoa học quốc gia và giám đốc là Gmachl. 

 MIRTHE là nghiên cứu của nhiều viện hợp tác lại để phát triển ra các máy cảm ứng phát hiện được dấu hiệu dù rất nhỏ của các khí trong khí quyển và hơi thở người.

 Sự hỗ trợ cũng có được từ Marie Curie Research Training Network -Hệ thống đào tạo nghiên cứu Marie Curie của EU và chương trình Physics of Intersubband Semiconductor Emitters đã tài trợ chuyến thăm của Stefan Menzel đến đại học Princeton. Kale Franz được hỗ trợ bởi chương trình NSF Graduate Fellowship Program.

(theo sciencedaily - Sở KHCN Đồng Nai )