Đột phá vật lý mở 'cao tốc 4 làn' cho ánh sáng ngay bên trong chip quang tử

Hình ảnh một luồng ánh sáng photon. Ảnh: IE.

Trong nhiều năm, các nhà vật lý đã theo đuổi một ý tưởng đầy tham vọng: tạo ra những con chip quang tử trong đó ánh sáng có thể di chuyển qua các góc gấp mà không bị mất thông tin, đồng thời vẫn có khả năng chống chịu trước những khiếm khuyết trong cấu trúc vật liệu.

Công nghệ quang tử tôpô (topological photonics) đã giúp hiện thực hóa một phần giấc mơ đó. Tuy nhiên, phương pháp truyền thống vẫn tồn tại một hạn chế lớn: ánh sáng chủ yếu chỉ có thể truyền dọc theo các cạnh hoặc ranh giới của cấu trúc, trong khi phần lớn vật liệu bên trong gần như không được tận dụng.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã tìm ra cách vượt qua giới hạn này. Họ biến gần như toàn bộ cấu trúc thành một “cao tốc” dành cho ánh sáng, cho phép bốn tín hiệu vi sóng độc lập truyền song song trong cùng một không gian.

Nếu có thể phát triển từ nguyên mẫu vi sóng hiện nay lên các hệ thống quang học thực tế, thiết kế mới có thể mở đường cho những chip quang tử nhỏ gọn hơn, mật độ cao hơn và hiệu quả hơn, phục vụ các lĩnh vực như truyền thông, công nghệ lượng tử và điện toán quang học.

“Công trình của chúng tôi là một ví dụ về chiến lược thiết kế các mạch quang tử tôpô siêu nhỏ gọn, với tiềm năng tạo ra các hệ thống quang học tích hợp mật độ cao”, nhóm nghiên cứu nhận định trong công trình được công bố.

Biến những rào cản thành “cao tốc” cho ánh sáng

Để hình dung thiết kế mới, có thể tưởng tượng một con chip quang tử tôpô truyền thống giống như một con đường được bao quanh bởi những dải phân cách rất rộng.

Các dải phân cách này giúp giao thông di chuyển ổn định và hạn chế va chạm, nhưng đồng thời chiếm rất nhiều diện tích. Vấn đề đặt ra là: nếu chính toàn bộ phần diện tích đó cũng có thể tham gia dẫn hướng ánh sáng thì sao?

Đó chính là hướng tiếp cận của nhóm nghiên cứu.

Các nhà khoa học bắt đầu với một mạng tinh thể hình tổ ong được tạo thành từ các thanh vật liệu từ tính. Thay vì tạo ra hai vùng cách điện nằm hai bên một ranh giới để hình thành đường truyền ánh sáng như những thiết kế thông thường, họ điều chỉnh cẩn thận hình học của cấu trúc để tinh thể có thể tự nhiên phân tách sóng điện từ thành hai “thung lũng” (valley) khác nhau.

Trong vật lý chất rắn và vật liệu quang tử, “valley” có thể hiểu đơn giản là những trạng thái động lượng khác nhau mà sóng điện từ có thể chiếm giữ bên trong tinh thể.

Trong thiết kế này, các trạng thái đó hoạt động gần giống như những làn đường độc lập. Chúng cùng tồn tại trong một vật liệu nhưng có thể được điều khiển theo những hướng truyền khác nhau.

Điểm quan trọng nằm ở việc nhóm nghiên cứu không còn cần phải dành một phần lớn cấu trúc làm vùng cách điện “bỏ không” để bảo vệ đường truyền ánh sáng.

Bốn “làn đường” ánh sáng trong một cấu trúc

Nhóm nghiên cứu sau đó tạo ra bốn phiên bản khác nhau của cấu trúc mạng tinh thể hình tổ ong.

Mỗi phiên bản thể hiện một đặc tính đặc biệt.

Đối với các sóng truyền trong một trạng thái valley nhất định, vật liệu hoạt động giống như một kênh mở, cho phép ánh sáng truyền về phía trước.

Nhưng khi một sóng cố gắng di chuyển theo trạng thái valley ngược lại, chính vùng vật liệu đó lại hoạt động như một rào cản, ngăn sóng truyền theo hướng không mong muốn.

Đặc tính kép này chính là chìa khóa của thiết kế.

Thay vì bao quanh từng đường dẫn sóng bằng những vùng cách điện không trực tiếp tham gia truyền tín hiệu, các nhà nghiên cứu sắp xếp bốn vùng theo một mô hình tuần hoàn.

Mỗi vùng vừa đảm nhiệm việc truyền tín hiệu của chính nó, vừa đóng vai trò như một hàng rào bảo vệ, ngăn những sóng truyền ngược từ vùng lân cận.

Nói cách khác, mỗi “làn đường” vừa là đường đi cho tín hiệu của mình, vừa đồng thời trở thành “lan can” bảo vệ làn đường bên cạnh.

Kết quả là một ống dẫn sóng tôpô không cần vùng cách điện, trong đó có bốn kênh truyền tín hiệu song song và đơn hướng. Hai kênh truyền tín hiệu theo một hướng, trong khi hai kênh còn lại truyền theo hướng ngược lại. Tất cả được bố trí sát nhau mà vẫn duy trì khả năng chống chịu trước những sai lệch và khiếm khuyết trong cấu trúc.

Nhóm nghiên cứu cho biết cấu hình nhiều làn này biến các trạng thái ánh sáng vốn chỉ tồn tại ở rìa của cấu trúc truyền thống thành những chế độ truyền một chiều có diện tích lớn và mật độ cao.

Để kiểm chứng thiết kế, nhóm đã chế tạo cấu trúc hoạt động ở tần số vi sóng và truyền các tín hiệu vi sóng mang thông tin qua đó.

Kết quả cho thấy tín hiệu có thể đi qua những đoạn gấp khúc rất gắt và các điểm thắt hẹp mà không bị phản xạ ngược đáng kể hoặc rò rỉ sang các kênh lân cận.

Ngay cả khi các nhà nghiên cứu chủ động làm biến dạng hình học của cấu trúc, khả năng truyền tín hiệu một chiều vẫn duy trì sự ổn định đáng kể.

Đây là điểm khác biệt quan trọng so với các thiết kế quang tử tôpô thông thường, trong đó ánh sáng bị giới hạn trong một vùng ranh giới rất hẹp.

Với kiến trúc mới, gần như toàn bộ diện tích vật liệu có thể được sử dụng để truyền tín hiệu. Nhóm nghiên cứu mô tả đây là mức hiệu quả sử dụng không gian lên tới 100%.

Hướng tới những chip quang tử nhỏ gọn hơn

Dù kết quả hiện tại rất đáng chú ý, công nghệ vẫn đang ở giai đoạn thử nghiệm với tín hiệu vi sóng, thay vì ánh sáng ở tần số quang học thực sự được sử dụng trong các chip quang tử.

Bước tiếp theo sẽ là tìm cách đưa nguyên lý này lên các tần số quang học cao hơn, đồng thời giải quyết hàng loạt thách thức về tổn hao vật liệu, khả năng chế tạo và mở rộng quy mô sản xuất.

Nếu những vấn đề này được giải quyết, thiết kế mới có thể cho phép chế tạo những chip quang tử nhỏ gọn hơn nhưng vẫn truyền được lượng thông tin lớn hơn trong cùng một diện tích.

Quan trọng hơn, công trình này có thể làm thay đổi một giả định lâu nay trong lĩnh vực quang tử tôpô: muốn ánh sáng được bảo vệ trước nhiễu và khuyết tật thì nhất thiết phải truyền dọc theo ranh giới giữa các vùng tôpô.

Thiết kế mới cho thấy không nhất thiết phải như vậy.

Thay vì chỉ sử dụng “đường biên” của vật liệu, các nhà nghiên cứu đang tìm cách biến toàn bộ cấu trúc thành không gian truyền dẫn, mở ra một hướng tiếp cận mới cho việc thiết kế các thiết bị quang tử thế hệ tiếp theo.

Nếu thành công ở quy mô quang học, ý tưởng này có thể trở thành nền tảng cho những hệ thống truyền thông tốc độ cao, mạch quang tích hợp mật độ lớn, thiết bị lượng tử và máy tính quang học trong tương lai.