ĐẶC KHU HÀNH CHÍNH HỒNG KÔNG – Media OutReach – Ngày 21 tháng 8 năm 2023 – Một nhóm các nhà nghiên cứu hợp tác do Giáo sư Vật lý tạm thời Shuang ZHANG đến từ Đại học Hồng Kông (The University of Hong Kong – HKU) dẫn đầu, cùng với Trung tâm Khoa học và Công nghệ Nano Quốc gia, thuộc Đại học Hoàng gia London (Anh) và Đại học California, Berkeley (Mỹ), đã đề xuất một phương pháp tiếp cận sóng tần số phức hợp (complex frequency wave – CFW) tổng hợp mới để giải quyết vấn đề suy hao (tổn thất) quang học trong trình diễn siêu hình ảnh. Các kết quả nghiên cứu gần đây đã được công bố trên Tạp chí học thuật uy tín Science.
Hình ảnh đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm sinh học, y học và khoa học vật liệu. Kính hiển vi quang học sử dụng ánh sáng để thu được hình ảnh của các vật thể cực nhỏ. Tuy nhiên, các kính hiển vi thông thường chỉ có thể phân giải các kích thước đặc trưng theo thứ tự tốt nhất của bước sóng quang học, được gọi là giới hạn nhiễu xạ (diffraction limit).
Để khắc phục giới hạn nhiễu xạ, Sir John Pendry đến từ Đại học Hoàng gia London đã đưa ra khái niệm siêu thấu kính (superlenses), có thể được chế tạo từ phương tiện chiết suất âm hoặc kim loại quý như bạc. Sau đó, Giáo sư Xiang ZHANG, Chủ tịch kiêm Phó hiệu trưởng hiện tại của HKU, cùng với nhóm cộng sự của ông khi đó tại Đại học California, Berkeley, đã chứng minh bằng thực nghiệm siêu hình ảnh bằng cách sử dụng cả màng mỏng bạc và ngăn xếp đa lớp bạc/điện môi. Những công trình này đã thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển và ứng dụng của công nghệ siêu thấu kính.
Song thật không may, tất cả các siêu thấu kính đều bị suy hao quang học không thể tránh khỏi, hiện tượng này chuyển năng lượng quang học thành nhiệt năng. Điều này ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của các thiết bị quang học, chẳng hạn như thấu kính siêu ảnh, dựa vào việc cung cấp thông tin trung thực do sóng ánh sáng mang theo.
Suy hao quang học là yếu tố chính hạn chế sự phát triển của quang tử nano trong ba thập kỷ qua. Nhiều ứng dụng, bao gồm các mạch cảm biến, siêu hình ảnh và nanophotonic (tạm dịch là quang tử nano), sẽ có lợi rất nhiều nếu vấn đề này có thể được giải quyết.
Giáo sư Shuang Zhang, tác giả liên lạc (corresponding author) của bài báo và cũng là Trưởng phòng tạm thời của Khoa Vật lý HKU, giải thích về trọng tâm nghiên cứu như sau: “Để giải quyết vấn đề suy hao quang học trong một số ứng dụng quan trọng, chúng ta đã đề xuất một giải pháp thực tế – sử dụng kích thích sóng phức hợp tổng hợp mới để thu được độ lợi ảo và sau đó bù đắp tổn thất nội tại của hệ thống quang học. Để xác minh, chúng ta đã áp dụng phương pháp này cho cơ chế chụp ảnh siêu thấu kính và về mặt lý thuyết đã cải thiện đáng kể độ phân giải hình ảnh”.
Tiến sĩ Fuxin GUAN, tác giả đầu tiên của bài báo và là Nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại HKU, cho biết thêm: “Chúng tôi đã chứng minh thêm lý thuyết của mình bằng cách tiến hành các thí nghiệm sử dụng siêu thấu kính làm từ siêu vật liệu hyperbol trong dải tần số vi sóng và siêu vật liệu phân cực trong dải tần số quang học. Đúng như dự đoán, chúng ta đã thu được kết quả hình ảnh tuyệt vời, phù hợp với dự đoán lý thuyết của mình”.
Phương pháp tiếp cận đa tần số để khắc phục suy hao quang học
Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã giới thiệu một phương pháp tiếp cận đa tần số mới để khắc phục các tác động tiêu cực của việc mất mát đối với siêu hình ảnh. Sóng tần số phức hợp có thể được sử dụng để cung cấp mức khuếch đại ảo nhằm bù đắp sự suy hao trong hệ thống quang học. Tần số phức hợp nghĩa là gì? Tần số của sóng đề cập đến tốc độ dao động của nó theo thời gian. Việc coi tần số là một số thực là điều đương nhiên. Thật thú vị, khái niệm tần số có thể được mở rộng sang lĩnh vực phức hợp, trong đó phần ảo của tần số cũng có ý nghĩa vật lý được xác định rõ, tức là tốc độ khuếch đại hoặc suy giảm của sóng theo thời gian. Do đó, đối với sóng có tần số phức hợp, cả dao động và khuếch đại sóng xảy ra đồng thời. Đối với tần số phức hợp có phần ảo âm (dương), sóng sẽ suy giảm (khuếch đại) theo thời gian.
Đương nhiên, một sóng phức hợp lý tưởng không phải là sóng vật lý, vì nó sẽ phân kỳ khi thời gian tiến tới vô cực dương hoặc âm, tùy thuộc vào dấu của phần ảo của nó. Do đó, bất kỳ việc triển khai thực tế nào các sóng tần số phức hợp cần phải được cắt bớt kịp thời để tránh sự phân kỳ. Phép đo quang trực tiếp dựa trên sóng tần số phức hợp cần được thực hiện trong miền thời gian và nó sẽ liên quan đến các phép đo giới hạn thời gian phức hợp và do đó cho đến nay, nó vẫn chưa được thực hiện bằng thực nghiệm.
Nhóm các nhà khoa học đã sử dụng công cụ toán học Phép biến đổi Fourier để chia sóng tần số phức hợp (CFW) bị cắt ngắn thành nhiều thành phần có tần số thực khác nhau, tạo điều kiện thuận lợi đáng kể cho việc triển khai CFW cho các ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như siêu hình ảnh. Bằng cách thực hiện các phép đo quang ở nhiều tần số thực trong một khoảng thời gian cố định, có thể xây dựng đáp ứng quang của hệ thống ở tần số phức hợp bằng cách kết hợp toán học tần số thực.
Như một bằng chứng về khái niệm, nhóm các nhà khoa học bắt đầu với siêu hình ảnh ở tần số vi sóng bằng cách sử dụng siêu vật liệu hyperbol. Siêu vật liệu hyperbol có thể mang sóng với vectơ sóng rất lớn (hoặc tương đương với bước sóng rất nhỏ), có khả năng truyền thông tin có kích thước tính năng rất nhỏ. Tuy nhiên, vectơ sóng càng lớn thì sóng càng nhạy cảm với suy hao quang học. Do đó, khi có sự mất mát, thông tin về các kích thước tính năng nhỏ đó sẽ bị mất trong quá trình lan truyền bên trong siêu vật liệu hyperbol. Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng, bằng cách kết hợp một cách thích hợp các hình ảnh mờ được đo ở các tần số thực khác nhau, một hình ảnh rõ ràng ở tần số phức hợp sẽ được hình thành với độ phân giải bước sóng dưới sâu.
Nhóm nghiên cứu tiếp tục mở rộng nguyên lý này sang các tần số quang học, sử dụng một siêu thấu kính quang học làm từ một tinh thể âm vị gọi là silicon carbide, hoạt động ở bước sóng hồng ngoại xa khoảng 10 micromet. Trong một tinh thể âm vị, sự rung động của mạng tinh thể có thể kết hợp với ánh sáng để tạo ra hiệu ứng siêu hình ảnh. Tuy nhiên, sự mất mát vẫn là một yếu tố hạn chế trong độ phân giải không gian. Mặc dù độ phân giải không gian của hình ảnh ở tất cả các tần số thực bị hạn chế do mất mát, như được thể hiện bằng hình ảnh mờ của các lỗ có kích thước nano, hình ảnh có độ phân giải siêu cao có thể thu được bằng CFW tổng hợp bao gồm nhiều thành phần tần số.
Giáo sư Xiang ZHANG, một tác giả liên lạc khác của bài báo, Chủ tịch và Phó hiệu trưởng của HKU, đồng thời là Chủ tịch Khoa Vật lý và Khoa học, HKU đánh giá: “Công trình đã cung cấp một giải pháp để khắc phục sự mất mát quang học trong các hệ thống quang học, một vấn đề tồn tại từ lâu trong nanophotonics. Phương pháp tần số phức hợp tổng hợp có thể dễ dàng được mở rộng sang các ứng dụng khác, bao gồm cả mạch tích hợp cảm biến phân tử và quang tử nano. Kỹ thuật. Phương pháp này có thể được sử dụng để giải quyết sự mất mát trong các hệ thống sóng khác, bao gồm sóng âm, sóng đàn hồi và sóng lượng tử, nâng chất lượng hình ảnh lên một tầm cao mới”.
Công trình nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Quỹ khoa học nền tảng mới (New Cornerstone Science Foundation), Hội đồng tài trợ nghiên cứu của Hồng Kông.
Bài báo được đăng trên Science có tiêu đề: ‘Overcoming losses in superlenses with synthetic waves of complex frequency’ (tạm dịch: ‘Khắc phục tổn thất trong siêu thấu kính bằng sóng tổng hợp có tần số phức hợp”.
Tạp chí có thể được truy cập ở đây https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi1267
Thông tin thêm về Giáo sư Shuang Zhang: https://shorturl.at/efCN1
Nguồn phát hành hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung của thông báo này.