Ánh sáng hoạt động ở cả hai tính chất sóng và hạt. Kể từ khi Einstein, nhà bác học đã từng cố gắng để quan sát trực tiếp cả hai khía cạnh của ánh sáng cùng một lúc, thì cho đến tận ngày nay, các nhà khoa học tại EPFL mới thành công trong việc chụp được bức ảnh đầu tiên của ánh sáng với cả hai tính chất này.

Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê! http://vatlythienvan.com

Cơ học lượng tử nói rằng ánh sáng có thể hành xử như dạng hạt hay dạng sóng. Tuy nhiên, chưa từng có một thí nghiệm nào có thể chụp được cả hai tính chất này của ánh sáng tại cùng một thời điểm; những thí nghiệm gần đây nhất chỉ có thể nhìn thấy hoặc sóng hoặc hạt, nhưng luôn luôn ở thời điểm khác nhau. Với việc tiếp cận thực nghiệm một cách hoàn toàn khác, các nhà khoa học EPFL hiện đã có thể chụp được bức ảnh đầu tiên của ánh sáng hiển thị cả hai tính chất sóng và hạt. Công trình mang tính đột phá này đã được công bố trên tạp chí Nature.

Khi ánh sáng cực tím bắn vào một bề mặt kim loại, nó sẽ khiến electron bị bức xạ. Albert Einstein giải thích hiện tượng này là "hiệu ứng quang điện" (Photoelectric) bằng cách đề xuất rằng ánh sáng - từng được cho là chỉ có dạng sóng - cũng là một dòng hạt. Mặc dù một loạt các thí nghiệm đã quan sát thành công cả dạng hạt và dạng sóng của ánh sáng, thì chúng ta vẫn chưa bao giờ có thể quan sát cả hai tính chất này cùng lúc. Một nhóm nghiên cứu của EPFL hiện nay đã mang đến một thí nghiệm cực kỳ thông minh: dùng electron để chụp ảnh ánh sáng. Các nhà nghiên cứu lần đầu tiên đã chụp được trong cùng một bức hình với cả hai tính chất của ánh sáng.

Thí nghiệm được xây dựng như sau: Một xung ánh sáng laser được bắn vào một sợi nano kim loại nhỏ xíu. Xung laser tiếp năng lượng để nạp cho các hạt bên trong sợi nano, khiến chúng dao động. Ánh sáng di chuyển dọc theo sợi nano này theo hai hướng, cũng như chiếc xe chạy trên đường cao tốc. Khi sóng di chuyển theo hướng ngược lại và gặp sóng khác, chúng hình thành một sóng mới trông giống như nó đang dừng tại một chỗ. Ở đây, sóng dừng này trở thành nguồn ánh sáng cho thí nghiệm, tỏa ra xung quanh sợi nano.

Đây là nơi thủ thuật cao tay của thí nghiệm bắt đầu: Các nhà khoa học bắn một chùm electron đến gần sợi nano, sử dụng chúng để chụp ảnh sóng dừng của ánh sáng. Khi các hạt electron tương tác với ánh sáng bị giới hạn trên sợi nano, chúng sẽ bị tăng tốc hoặc bị giảm tốc độ. Sử dụng kính hiển vi siêu nhanh để chụp hình nơi xảy ra sự thay đổi tốc độ này, các nhà nghiên cứu giờ có thể hình dung ra sóng dừng, thứ đóng vai trò như dấu vân tay của sóng ánh sáng tự nhiên.

Trong khi hiện tượng này cho thấy dạng sóng tự nhiên, thì nó cũng đồng thời chứng minh tính chất hạt của ánh sáng. Khi các hạt electron di chuyển gần đến sóng dừng ánh sáng, chúng "chạm" vào các hạt ánh sáng (photon). Như đã nhắc đến ở trên, điều này ảnh hưởng đến tốc độ của chúng, khiến chúng di chuyển nhanh hơn hoặc chậm hơn. Sự thay đổi tốc độ này xuất hiện một sự trao đổi năng lượng "gói" (lượng tử) giữa electron và photon. Sự xuất hiện rất thường xuyên của các gói năng lượng này cho thấy ánh sáng trên sợi nano này mang tính chất hạt.

"Thí nghiệm này chứng tỏ rằng, lần đầu tiên chúng ta có thể ghi hình được cơ học lượng tử và tính chất nghịch lý của nó một cách trực tiếp." Theo lời Fabrizio Carbone, nhà khoa học tại EPFL. Ngoài ra, tầm quan trọng của nghiên cứu tiên phong này có thể áp dụng mở rộng ra với khoa học cơ bản và các công nghệ trong tương lai. Fabrizio Carbone giải thích thêm: "Với việc có thể ghi hình và kiểm soát được các hiện tượng lượng tử ở cấp độ nano như vậy đã mở ra một con đường mới cho điện toán lượng tử."

Nguồn: Phys.org

Author: Hien PHAN
Cựu thành viên CLB Thiên văn học Đà Nẵng - DAC; giảng viên khoa Vũ trụ và Ứng dụng, trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội - USTH (Đại học Việt Pháp).