Các nhà khoa học Oxford tạo ra ánh sáng từ "bóng tối"

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Oxford (Anh) và Viện Kỹ Thuật Cao Cấp Lisbon (Bồ Đào Nha) đã chạy một thí nghiệm mô phỏng 3D thời gian thực cho thấy cách chùm tia laser cường độ cao tương tác với chân không lượng tử (quantum vacuum) - một không gian không thực sự trống rỗng mà chứa đầy các cặp electron-positron tồn tại trong thời gian cực ngắn. Công trình nghiên cứu đã được đăng tải trên tạp chí Communications Physics hé lộ cơ chế khi ánh sáng dường như xuất hiện từ "bóng tối" - điều giống như phép thuật trong vật lý cổ điển.

Sử dụng một phiên bản cực kỳ tiên tiến của phần mềng mô phỏng OSIRIS (viết tắt của Outdoor Scene and InfraRed Image Simulation), nhóm đã tái tạo một hiện tượng gọi là trộn bốn sóng chân không (vacuum four-wave mixing). Trong quá trình này, các trường điện từ từ ba xung laser mạnh phân cực các hạt ảo trong chân không, khiến các photon bật ra khỏi nhau — dẫn đến một chùm tia laser thứ tư.

Giáo sư Peter Norreys từ Khoa Vật lý Oxford cho biết: “ Đây không chỉ là sự tò mò học thuật – mà là một bước tiến lớn hướng tới xác nhận thực nghiệm các hiệu ứng lượng tử mà cho đến nay chủ yếu vẫn là lý thuyết ”.

Nghiên cứu này được công bố trong bối cảnh xu hướng ngày càng tăng trong việc việc triển khai toàn cầu các hệ thống laser multi-Petawatt có thể tạo ra các trường điện từ cực mạnh. Những cơ sở như Vulcan 20-20 ở Anh, ELI ở châu Âu, SHINE và SEL ở Trung Quốc, cùng với laser chùm kép OPAL (optical parametric amplifier line) ở Mỹ, dự kiến sẽ đạt đến các mức công suất cần thiết để quan sát các hiệu ứng lượng tử hiếm gặp này trong các thí nghiệm thực tế.

Để làm cho các mô phỏng trở nên chính xác hơn, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một bộ giải số bán cổ điển (semi-classical numerical solver) dựa trên Lưỡng Luận Heisenberg-Euler (Heisenberg-Euler Lagrangian). Cách tiếp cận này cho phép họ mô hình hóa hai hiệu ứng chân không lượng tử chính và kiểm tra kết quả của họ với các dự đoán đã biết về lưỡng chiết chân không (vacuum birefringence) — một hiện tượng trong đó ánh sáng tách ra hoặc dịch chuyển khi đi qua một trường điện từ mạnh.

Họ đã thử nghiệm cả xung laser sóng phẳng (plane-wave) và Gaussian, và thấy rằng đầu ra của chúng phù hợp tốt với các lý thuyết hiện có. Đối với trường hợp trộn bốn sóng, họ đã sử dụng ba chùm Gaussian và có thể theo dõi sự hình thành của chùm thứ tư theo thời gian. Mô phỏng cũng cho thấy một chút loạn thị (astigmatism) — nơi chùm đầu ra không có hình dạng hoàn hảo — và đưa ra các phép đo rõ ràng về thời gian tương tác kéo dài bao lâu và kích thước của khu vực bị ảnh hưởng.

Tiến sĩ Zixin Zhang, thành viên nhóm nghiên cứu, cho biết: “Chương trình máy tính của chúng tôi cung cấp một cửa sổ 3D phân giải thời gian vào các tương tác chân không lượng tử vốn trước đây nằm ngoài tầm với. Bằng cách áp dụng mô hình cho một thí nghiệm tán xạ ba chùm, chúng tôi đã có thể ghi lại toàn bộ phạm vi của các dấu hiệu lượng tử, cùng với những hiểu biết chi tiết về vùng tương tác và các thang thời gian chủ chốt ”.

Nhóm đã so sánh kết quả của họ với các mô hình đơn giản hơn và dữ liệu trong quá khứ để đảm bảo mọi thứ được kiểm tra. Những công cụ này dự kiến sẽ giúp các nhà khoa học thiết kế các thí nghiệm thực tế, với khả năng kiểm soát tốt hơn về thời gian, hình dạng và hướng của laser.

Giáo sư Luis Silva, đồng tác giả từ Instituto Superior Técnico và là Giáo sư thỉnh giảng tại Oxford, cho biết: “ Một loạt các thí nghiệm được lên kế hoạch tại các cơ sở laser tiên tiến nhất sẽ được hỗ trợ rất nhiều bởi phương pháp tính toán mới mà chúng tôi triển khai trong OSIRIS. Sự kết hợp giữa laser cường độ cực cao, công nghệ phát hiện tối tân, mô hình phân tích và số học đột phá là nền tảng cho một kỷ nguyên mới trong tương tác laser-vật chất, điều này sẽ mở ra những chân trời mới cho vật lý cơ bản ”.

Công cụ mô phỏng cũng có thể hỗ trợ việc tìm kiếm các hạt mới, chẳng hạn như axion và các hạt tích điện nhỏ (millicharged particles), vốn được coi là ứng cử viên tiềm năng cho vật chất tối (dark matter).