Cơ học lượng tử nói với chúng ta rằng ánh sáng có lưỡng tính sóng hạt. Về cơ bản, khi tia UV chạm vào bề mặt kim loại, nó sẽ gây ra sự phát xạ electron. Đây là hiệu ứng "quang điện" và Einstein đã dựa vào đó để đề xuất rằng ánh sáng cũng có tính hạt chứ không chỉ có duy nhất tính sóng như lập luận trước đó. Nhiều thí nghiệm đã chứng minh dự đoán của Einstein là đúng, nhưng chưa ai thực tế thấy được đồng thời 2 thuộc tính này diễn ra đồng thời. Trước giờ, điều duy nhất mà người ta làm được là nhìn thấy hoặc là sóng, hoặc là hạt tại 2 thời điểm khác nhau.
Video giải thích thí nghiệm chụp lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng
Nhóm các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi giáo sư Fabrizio Carbone tại EPFL đã sử dụng một cách tiếp cận hoàn toàn mới giúp chúng ta có thể nhìn tận mắt điều này. Thử nghiệm được bố trí như sau: một xung ánh sáng laser được bắn vào một sợi dây kim loại có kích thước nano. Laser sẽ cung cấp năng lượng cho các hạt trong sợi dây và làm chúng dao động. Ánh sáng di chuyển trong sợi dây siêu nhỏ với 2 hướng khác nhau. Khi 2 sóng ánh sáng di chuyển theo hướng đối diện nhau, chúng sẽ hình thành nên một sóng khác trông như đang đứng yên tại một vị trí. Tại đó, sóng đứng trở thành nguồn sáng và bức xạ xung quanh sợi dây.
Hình ảnh của chiếc kính hiển vi siêu nhanh được dùng để chụp ảnh trong thí nghiệm
Tiếp theo, các nhà khoa học đã thực hiện một thủ thuật nhỏ: Họ bắn 1 dòng electron gần sợi dây nano để quan sát được hình ảnh của sóng đứng (tương tự như đổ thuốc nhuộm lên dòng sông để quan sát dòng chảy của nó). Khi các electron tương tác với ranh giới ánh sáng trên sợi dây nano, chúng sẽ di chuyển nhanh lên hoặc chậm lại. Bằng cách sử dụng kính hiển vi siêu nhanh nhằm chụp lại vị trí thay đổi tốc độ, nhóm nghiên cứu đã có thể thấy được sóng đứng. Đây chính là dấu chỉ chứng minh cho bản chất sóng của ánh sáng.
Ngoài việc cho thấy bản chất sóng của ánh sáng, đồng thời thí nghiệm này cũng chứng minh khía cạnh hạt. Khi các electron đi qua vị trí gần sóng dừng, chúng sẽ "chạm" vào các photon và làm thay đổi tốc độ của nó, khiến nó nhanh lên hoặc chậm đi. Sự thay đổi tốc độ này đã chứng minh sự trao đổi các "gói năng lượng" (quanta) giữa electron và photon. Chính sự xuất hiện của các gói năng lượng này là dấu chỉ cho đặc tính hạt của ánh sáng bên trong sợi dây nano.
Giáo sư Fabrizio Carbone cho biết: "Thí nghiệm này đã chứng minh rằng, lần đầu tiên trong lịch sử, chúng ta có thể trực tiếp chụp lại cơ chế lượng tử, thứ vốn được xem là đầy nghịch lý." Thêm vào đó, nghiên cứu lần này còn có ý nghĩa hết sức quan trọng, mở ra nhiều khám phá khác vượt xa tầm hiểu biết của khoa học hiện tại. Điển hình như việc ghi hình và kiểm soát hiện tượng lượng tử dưới kích thước nano có thể mở ra hướng đi mới cho sự phát triển của máy tính lượng tử trong tương lai.
Tham khảo EPFL
