Lần đầu tiên mô phỏng hiện tượng 'ánh sáng từ bóng tối' lượng tử

Minh họa về sự tán xạ photon-photon trong phòng thí nghiệm. Hai chùm tia laser xanh lá cây va chạm tại tiêu điểm với chùm tia đỏ thứ ba để phân cực chân không lượng tử. Điều này cho phép tạo ra chùm tia laser xanh lam thứ tư, với hướng và màu sắc độc đáo, giúp bảo toàn động lượng và năng lượng.

Bằng mô hình tính toán tiên tiến, các nhà khoa học đã tạo ra mô phỏng ba chiều đầu tiên theo thời gian thực cho thấy những chùm laser cực mạnh có thể làm thay đổi “chân không lượng tử” — một phát hiện mang tính bước ngoặt trong vật lý hiện đại.

Trước đây, chân không từng được cho là hoàn toàn rỗng, không chứa bất kỳ thứ gì. Nhưng theo cơ học lượng tử, khoảng trống tưởng chừng trống rỗng đó thực ra đầy ắp các cặp hạt ảo electron và positron (phản electron) liên tục xuất hiện rồi biến mất chỉ trong phần nhỏ của một giây.

“Ánh sáng từ bóng tối” — Khi các photon va chạm trong chân không

Các mô phỏng này tái hiện sinh động một hiện tượng lạ kỳ đã được dự đoán từ lâu trong vật lý lượng tử, gọi là “giao thoa bốn sóng trong chân không” (vacuum four-wave mixing).

Theo lý thuyết này, khi ba chùm laser được hội tụ chính xác, trường điện từ tổng hợp của chúng có thể phân cực các hạt ảo đang tồn tại thoáng qua trong chân không.

Sự tương tác này làm cho các photon (hạt ánh sáng) va chạm và tán xạ lẫn nhau như những viên bi billiard, từ đó tạo ra một chùm sáng thứ tư — một hiện tượng mà các nhà nghiên cứu mô tả là “ánh sáng sinh ra từ bóng tối”.

Những sự kiện mô phỏng này mở ra một phương thức mới để khám phá những vùng vật lý chưa từng được kiểm chứng, ở mức năng lượng cực cao mà các thí nghiệm hiện nay khó đạt tới.

Giáo sư Peter Norreys, đồng tác giả nghiên cứu, Khoa Vật lý, Đại học Oxford, cho biết: “Đây không chỉ là tò mò khoa học — mà là một bước tiến lớn hướng tới việc xác nhận thực nghiệm những hiệu ứng lượng tử mà trước nay chỉ tồn tại trên lý thuyết”.

Kỷ nguyên mới của các siêu laser cường độ cực đại

Phát hiện này xuất hiện đúng thời điểm thế hệ laser siêu mạnh mới đang dần được đưa vào vận hành trên toàn cầu.

Các cơ sở nghiên cứu như Vulcan 20-20 (Anh), dự án Cơ sở Ánh sáng Cực hạn châu Âu (ELI), cùng hai trung tâm của Trung Quốc là SEL (Station for Extreme Light) và SHINE, đều được thiết kế để đạt công suất đủ lớn nhằm chứng minh hiện tượng “photon tán xạ với photon” trong phòng thí nghiệm — điều mà vật lý lượng tử dự đoán nhưng chưa từng được kiểm chứng.

Thực tế, hiện tượng này đã được chọn làm một trong ba thí nghiệm chủ chốt tại cơ sở laser OPAL công suất 25 petawatt của Đại học Rochester (Hoa Kỳ).

Các mô phỏng của nhóm Oxford được thực hiện nhờ phiên bản nâng cao của phần mềm OSIRIS, một công cụ mô hình hóa tương tác giữa tia laser và vật chất hoặc plasma.

Cửa sổ 3D đầu tiên mở ra thế giới lượng tử

Tác giả chính của nghiên cứu, Zixin (Lily) Zhang, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Khoa Vật lý Oxford, cho biết: “Chương trình máy tính của chúng tôi cung cấp một cửa sổ 3D theo thời gian thực để quan sát những tương tác trong chân không lượng tử vốn trước đây nằm ngoài tầm với của con người.

Khi áp dụng mô hình này cho thí nghiệm tán xạ ba chùm laser, chúng tôi đã ghi lại được toàn bộ các dấu hiệu đặc trưng của hiệu ứng lượng tử, đồng thời thu được các chi tiết tinh vi trong vùng tương tác và các thang thời gian chủ chốt.

Sau khi mô hình được kiểm định toàn diện, chúng tôi có thể mở rộng sang những kịch bản phức tạp hơn — chẳng hạn như các cấu trúc chùm tia laser đặc biệt hoặc xung laser có tiêu điểm di chuyển (flying-focus pulses)”.

Từ lý thuyết đến thực nghiệm

Quan trọng hơn cả, các mô hình này cung cấp thông tin mà các nhà thực nghiệm cần để thiết kế những thử nghiệm chính xác trong thế giới thật — bao gồm hình dạng chùm laser, độ dài xung và thời điểm giao thoa tối ưu.

Các mô phỏng còn hé lộ thêm nhiều hiểu biết mới, chẳng hạn như cách các tương tác này phát triển theo thời gian thực, hay sự bất đối xứng rất nhỏ trong hình học chùm tia có thể làm thay đổi kết quả ra sao.

Theo nhóm nghiên cứu, công cụ này không chỉ giúp lên kế hoạch cho các thí nghiệm laser năng lượng cao trong tương lai, mà còn có thể hỗ trợ việc tìm kiếm các hạt giả thuyết như axion hoặc hạt mang điện yếu (millicharged particles) — những ứng viên tiềm năng của vật chất tối.

Giáo sư Luis Silva, đồng tác giả nghiên cứu (thuộc Viện Instituto Superior Técnico, Đại học Lisbon, và là Giáo sư thỉnh giảng tại Oxford), nhấn mạnh: “Hàng loạt thí nghiệm được lên kế hoạch tại những cơ sở laser tiên tiến nhất thế giới sẽ được hưởng lợi rất lớn từ phương pháp tính toán mới của chúng tôi trên nền OSIRIS.

Sự kết hợp giữa các laser siêu cường độ, công nghệ dò tìm hiện đại, mô hình phân tích và tính toán tối tân sẽ đặt nền móng cho một kỷ nguyên mới trong nghiên cứu tương tác giữa laser và vật chất — mở ra chân trời mới cho vật lý cơ bản”.

Nghiên cứu này không chỉ giúp biến các hiện tượng lượng tử từng chỉ có trên lý thuyết thành điều có thể quan sát được, mà còn đưa nhân loại tiến gần hơn tới việc điều khiển và hiểu rõ hơn bản chất sâu thẳm của “chân không” — nơi mà ngay cả hư vô cũng tràn đầy năng lượng.

Bùi Tú