Nửa thế kỷ sau khi ra đời, tia laser có mặt trong nhiều ứng dụng đời sống đang được giới khoa học tái phát minh.
Những năm 1950, khi các nhà vật lý chạy đua để phát minh ra tia laser đầu tiên, họ phát hiện các quy tắc cơ học lượng tử đã hạn chế mức độ tinh khiết của màu ánh sáng. Kể từ đó, laser luôn được chế tạo kèm với những hạn chế này.
Tuy nhiên, nghiên cứu mới từ hai nhà vật lý Wiseman và Pekker chỉ ra bản chất thực sự của laser rất khác so với hiểu biết từ trước đến nay.
Về bản chất, tia laser giống như một chiếc loa phát ánh sáng. Bản thân “laser” ban đầu là từ viết tắt của “khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích” (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).
Cụ thể, các hạt photon ánh sáng sẽ toả ra nhiều hướng khác nhau từ một nguyên tử và va phải các nguyên tử khác, kích thích eletron ở các nguyên tử này rơi xuống tiếp, sinh thêm photon cùng tần số, cùng pha và cùng hướng bay, tạo nên phản ứng dây chuyền khuếch đại dòng ánh sáng.
Áng sáng laser trái ngược với hầu hết nguồn sáng khác, chẳng hạn như đèn đọc sách hay Mặt Trời đều phát ra photon phân tán ngẫu nhiên.
Về bản chất, tia laser giống như một chiếc loa phát ánh sáng. (Ảnh: Gizmodo).
Các photon duy trì đồng bộ càng lâu, ánh sáng càng đơn sắc. Màu của nguồn sáng tương ứng với bước sóng các photon. Ví dụ, với ánh sáng xanh lục, bước sóng trải dài trong khoảng 500-550 nanomet. Để nhiều photon duy trì đồng bộ trong thời gian dài, bước sóng của chúng phải thẳng hàng, nghĩa là các photon càng gần một màu càng tốt.
Sự đồng bộ của các photon trong tia laser mang lại nhiều lợi ích, một trong số đó là dùng để sản xuất đồng hồ quang học.
Nhưng các photon dần mất đồng bộ sau khi rời khỏi chùm phát laser. Năm 1958, các nhà vật lý Arthur Schawlow và Charles Townes ước tính khoảng thời gian đồng bộ diễn ra tối đa được gọi là giới hạn Schawlow-Townes.
Tuy nhiên, phát hiện mới chỉ ra Schawlow-Townes không phải là giới hạn cuối cùng. “Về nguyên tắc, có thể tạo ra các tia laser có chùm photon gắn kết hơn đáng kể", nhà vật lý David Pekker từ Đại học Pittsburgh cho biết.
Nguyên nhân bởi Schawlow và Townes coi tia laser như một chiếc hộp rỗng, trong đó các photon nhân lên và rời đi với tốc độ tỷ lệ thuận ánh sáng bên trong hộp. Nói cách khác, photon thoát ra từ tia laser theo suy nghĩ của Schawlow và Townes giống như nước chảy ra từ một lỗ trên thùng. Nước chảy nhanh hơn khi thùng đầy hơn và ngược lại.
Phát xạ kích thích là quá trình electron của nguyên tử ở trạng thái kích thích tương tác sóng điện từ có tần số nhất định, có thể giải phóng năng lượng vào trường điện từ và nhảy xuống mức năng lượng thấp hơn. (Ảnh: Wikipedia).
Tuy nhiên, hai nhà vật lý Wiseman và Pekker phát hiện rằng nếu đặt van kiểm soát tốc độ dòng photon trong tia laser, có thể tạo ra tia laser có photon gắn kết lâu hơn nhiều so với giới hạn Schawlow-Townes.
“Bằng cách này, chúng tôi đã tìm ra được giới hạn cuối cùng, một giới hạn vật lý thực sự do cơ học lượng tử quy định. Nghiên cứu này lật đổ 60 năm hiểu biết về giới hạn của tia laser”, nhà vật lý Howard Wiseman từ Đại học Griffith, Australia cho hay.
Phát hiện này giúp cải tiến các loại laser đơn sắc cho những ứng dụng như điện toán lượng tử. Tuy nhiên, công cuộc "tái khai sinh" tia laser dự kiến sẽ mất nhiều năm làm việc.
Theo nhà vật lý Steven Touzard của Đại học Quốc gia Singapore, nghiên cứu của Pekker và Wiseman có thể không trực tiếp tạo ra các tia laser thương mại, bởi các nhà sản xuất laser thường không dựa trên giới hạn Schawlow-Townes. Việc vượt qua giới hạn này là tiến bộ về mặt lý thuyết hơn là kỹ thuật.
Nghiên cứu mới cũng đi ngược với những hiểu biết thông thường về tia laser. Nó không tạo ra ánh sáng thông qua phát xạ kích thích - loại tương tác giữa ánh sáng và vật chất, trong đó photon tác động vào nguyên tử phát ra một photon giống hệt.
Do đó, nếu dựa theo cách đặt tên laser nói trên, tia laser mới sẽ không còn chữ "s" và "e".