Các nhà khoa học Hàn Quốc vừa tìm ra lời giải cho rào cản vật lý tồn tại trăm năm

Một nhóm nghiên cứu chung từ Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang (POSTECH) và Đại học Quốc gia Jeonbuk vừa chứng minh rằng sóng cơ học có thể bị giữ lại hoàn toàn trong một bộ cộng hưởng rắn duy nhất. Trước đây, nhiều nhà khoa học cho rằng điều này “về mặt lý thuyết là bất khả thi” trong các hệ thống nhỏ gọn. Kết quả nghiên cứu được công bố ngày 3/4 trên tạp chí Physical Review Letters , tập trung vào hiện tượng gọi là “trạng thái bị ràng buộc trong liên tục” (Bound States in the Continuum – BIC), nơi sóng bị giữ lại và không thất thoát năng lượng, dù trong môi trường vẫn tồn tại các “lối thoát” tự nhiên cho chúng.

Cộng hưởng là nguyên lý nằm ở lõi của nhiều thiết bị quen thuộc như điện thoại thông minh, máy siêu âm hay radio. Các bộ cộng hưởng có nhiệm vụ khuếch đại sóng ở một tần số nhất định, nhưng theo thời gian chúng thường bị rò rỉ năng lượng, do đó luôn cần thêm nguồn cấp. Gần một thế kỷ trước, John von Neumann và Eugene Wigner đã dự đoán rằng trong những điều kiện đặc biệt, sóng có thể bị “nhốt” vĩnh viễn mà không thất thoát. Các trạng thái này được gọi là BIC, nhưng lâu nay vẫn bị xem là bất khả thi trong những hệ đơn lẻ.

Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học không chỉ đưa ra cơ sở lý thuyết mà còn thực nghiệm thành công, chứng minh rằng BIC thực sự có thể tồn tại trong những bộ cộng hưởng rắn nhỏ gọn, nhờ được bảo vệ bởi sự phân cực. Họ chế tạo một hệ thống cơ học có thể điều chỉnh được từ các tinh thể hạt hình trụ làm bằng thạch anh. Điểm then chốt nằm ở các bề mặt tiếp xúc giữa những thanh trụ này: chỉ cần điều chỉnh ở những tiếp điểm đó, họ có thể “chuyển chế độ” giữa BIC và quasi-BIC một cách chủ động.

Đặc biệt, khi sắp xếp ở một cấu hình nhất định, nhóm nghiên cứu đã quan sát thấy một dạng sóng hoàn toàn bị giữ lại bên trong một trụ duy nhất mà không rò rỉ sang các phần xung quanh. Hiện tượng này được xác nhận bằng thiết bị đo dao động bề mặt laser Doppler vibrometer, cho thấy chất lượng cộng hưởng (Q-factor) đạt trên 1.000 – đồng nghĩa với dao động gần như không bị suy giảm và mất năng lượng ở mức tối thiểu.

Khi nhiều bộ cộng hưởng đơn được liên kết lại, các trạng thái sóng “bị nhốt” này có thể kết hợp và hình thành nên những dải sóng đặc biệt trong cấu trúc tuần hoàn. Nhóm nghiên cứu thậm chí đã tạo ra một chuỗi trụ với sự bất đối xứng có chủ đích, từ đó xuất hiện một dải phẳng (flat band) – nơi vận tốc nhóm của sóng bằng 0 tại một tần số xác định. Điều này đồng nghĩa năng lượng sẽ “đứng yên” thay vì lan tỏa. Tất cả các trụ trong chuỗi đều thể hiện cộng hưởng ổn định với Q-factor cao và không bị tán sắc.

“Một cách hình tượng, nó giống như việc ném một viên đá xuống hồ nước tĩnh lặng nhưng các gợn sóng không lan rộng, mà chỉ rung động ngay tại chỗ,” tiến sĩ Yeongtae Jang, tác giả chính, giải thích. “Hệ thống cho phép sóng di chuyển, nhưng năng lượng lại hoàn toàn được giữ nguyên tại một vị trí.”

Nhóm nghiên cứu gọi hiện tượng này ở cấp chuỗi là Bound Band in the Continuum (BBIC) . Theo họ, đây có thể là nền tảng cho những ứng dụng tiềm năng trong khai thác năng lượng, chế tạo cảm biến siêu nhạy hoặc công nghệ truyền thông, nơi khả năng giữ năng lượng và hạn chế thất thoát đóng vai trò then chốt.

“Chúng tôi đã phá vỡ một rào cản lý thuyết tồn tại suốt cả thế kỷ,” giáo sư Junsuk Rho, người đứng đầu nghiên cứu, nhấn mạnh. “Dù hiện tại công trình vẫn ở mức nghiên cứu cơ bản, nhưng ý nghĩa ứng dụng rất lớn – từ các thiết bị tiết kiệm năng lượng cho đến thế hệ công nghệ cảm biến và truyền tín hiệu mới.”

Hiểu đơn giản, nhóm đã tạo ra một hệ các thanh thạch anh, trong đó những điểm tiếp xúc hoạt động như các “nút chỉnh siêu chính xác”. Khi vặn đúng “nút”, một sóng có thể bị giữ hoàn toàn trong một trụ mà không thất thoát. Khi ghép nhiều trụ như vậy, dao động bị nhốt có thể tồn tại trên toàn bộ chuỗi, vẫn giữ nguyên tại chỗ mà không lan rộng. Đây chính là con đường rõ ràng để nghiên cứu và ứng dụng khả năng giữ sóng mạnh trong những hệ rắn nhỏ gọn.