Nga khiến thế giới kinh ngạc vì tạo ra loại tia gần như chạm đến giới hạn: Nhỏ tương đương một loại virus

Các nhà khoa học Nga đã phát triển một loại laser nano hoạt động trong vùng quang phổ màu xanh lam. Kích thước của nó chỉ từ 150 đến 190 nanomet, tức là tương đương với các hạt virus. Chi tiết về phát hiện này đã được công bố tại Đại học Vật lý Kỹ thuật Moskva (MIPT).

"Phá vỡ" giới hạn của ánh sáng

Trong thế giới vật lý truyền thống, kích thước của một nguồn sáng laser thường bị giới hạn bởi bước sóng của chính nó. Theo các nhà phát triển, thu nhỏ laser là một trong những nhiệm vụ trọng yếu của khoa học hiện đại. Các nhà khoa học trên toàn thế giới đang cố gắng thu nhỏ các bộ phát laser xuống kích thước đủ nhỏ để có thể tích hợp chúng vào các mạch tích hợp và các thiết bị nhỏ gọn khác.

Tuy nhiên, việc chế tạo các loại laser như vậy là một nhiệm vụ khó khăn. Khi kích thước giảm, hiệu suất của laser giảm mạnh. Vấn đề này đã được giải quyết đối với laser đỏ, xanh lá cây và tia cực tím, nhưng chưa được giải quyết đối với laser xanh lam. Đây chính là điều đã cản trở sự phát triển của màn hình laser độ phân giải cực cao, kính thực tế ảo và các công nghệ tiên tiến khác.

Các nhà vật lý Nga đã tìm ra cách để "vượt rào" quy luật này. Nanolaser mới có thể tích chỉ vỏn vẹn 150 đến 190 nanomet,.

Để đạt được kết quả này, đội ngũ nghiên cứu đã sử dụng một khối lập phương siêu nhỏ làm từ perovskite (CsPbCl3) - một loại vật liệu nano tiên tiến có khả năng tương tác cực mạnh với ánh sáng. Điểm mấu chốt nằm ở chỗ, khối nano này được đặt trên một lớp nền bạc đóng vai trò như một tấm gương siêu phẳng. Cấu trúc này cho phép giam cầm và khuếch đại ánh sáng bên trong một không gian hẹp hơn rất nhiều so với những gì chúng ta từng nghĩ là khả thi.

Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng bên trong "khối lập phương" này, tia laser hoạt động theo một cách bất thường - do các hạt bán dẫn - polariton. Loại laser polariton này yêu cầu năng lượng ít hơn đáng kể so với các loại laser truyền thống, điều này cho phép tạo ra một thiết bị nhỏ gọn như vậy mà không cần đến nguồn bơm siêu mạnh.

Hiện tại, laser chỉ hoạt động ở nhiệt độ rất thấp - khoảng âm 193℃. Tuy nhiên, các nhà khoa học tin tưởng rằng các thí nghiệm tiếp theo với tinh thể nano perovskite sẽ giúp khắc phục hạn chế này.

Nơi có thể áp dụng sự phát triển mới này

Sự ra đời của một nguồn sáng laser màu xanh lam với kích thước siêu nhỏ không chỉ là một kỷ lục phòng thí nghiệm mà còn mang lại những ứng dụng thực tiễn mang tính cách mạng. Hiện nay, phổ màu xanh lam vẫn luôn là thách thức lớn nhất trong việc thu nhỏ các linh kiện quang học.

Những phát triển như vậy có thể trở thành nền tảng cho các công nghệ mới — từ hình ảnh y sinh đến lưu trữ dữ liệu quang học. Ví dụ, chúng phù hợp để tạo ra các nguồn tín hiệu quang học siêu nhỏ gọn và thực hiện các phép tính quang học trực tiếp trên chip — tức là truyền và xử lý dữ liệu bằng ánh sáng, chứ không phải bằng điện.

Đồng thời, laser có thể được sử dụng như bộ tăng tốc cho các bộ xử lý điện tử trong các hệ thống trí tuệ nhân tạo.

Thách thức về nhiệt độ và tương lai của quang tử học

Dù sở hữu những thông số ấn tượng, công nghệ này vẫn đang đối mặt với một rào cản kỹ thuật lớn: nhiệt độ vận hành. Hiện tại, hiệu ứng polariton giúp duy trì sự ổn định của laser thường phát huy tốt nhất ở nhiệt độ cực thấp. Ở nhiệt độ phòng, các hạt mang năng lượng trong perovskite có xu hướng bị phá vỡ, làm giảm hiệu suất của thiết bị.

Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu tại ITMO đang rất lạc quan. Họ đang thử nghiệm việc chuyển đổi từ cấu trúc khối nano sang các dạng vật liệu thấp chiều hơn như màng mỏng nano hoặc dây nano. Mục tiêu là tạo ra một phiên bản laser nano hoạt động ổn định ở nhiệt độ phòng, một bước đệm quan trọng để đưa sản phẩm ra khỏi phòng thí nghiệm và đi vào sản xuất công nghiệp.

Việc làm chủ công nghệ nanolaser không chỉ khẳng định vị thế của Nga trong lĩnh vực vật lý nano mà còn cho thấy một xu hướng mới: Sự giao thoa giữa điện tử học và quang học (Photonic integrated circuits). Trong tương lai không xa, các con chip máy tính có thể sẽ không còn truyền dẫn bằng điện tử chậm chạp mà thay thế bằng các luồng ánh sáng tốc độ cao nhờ vào những hạt laser tí hon này.

Sự xuất hiện của loại laser nhỏ nhất thế giới là một minh chứng cho việc con người đang dần chinh phục những giới hạn của tự nhiên. Với kích thước tương đương virus nhưng mang trong mình sức mạnh thay đổi diện mạo của ngành hiển thị và y tế, nanolaser từ các nhà khoa học Nga hứa hẹn sẽ là "trái tim" của những cuộc cách mạng công nghệ trong thập kỷ tới. Dù còn chặng đường dài để tối ưu hóa khả năng vận hành ở điều kiện thường, nhưng nền móng cho một kỷ nguyên thiết bị siêu nhỏ, siêu hiệu quả đã chính thức được đặt xuống.