Hiệu ứng lạ khi phân tách photon thành hai phần và khả năng tạo ra cầu vồng ánh sáng

Photon, đơn vị cơ bản của ánh sáng, không phải là một hạt vật chất có vị trí cố định mà là một vật thể trải rộng về mặt không gian và thời gian. Điều này khiến việc phân tách một photon dường như khó có thể xảy ra trong thực tế thông thường. Song, nhóm nhà nghiên cứu Na Uy đã phân tích trường hợp khi một gương hoàn hảo đang phản xạ photon bị kéo đi giữa chừng, cho thấy kết quả không đơn giản như kinh nghiệm thường thấy.

Thông thường, khi một photon chiếu qua một gương bán phản xạ, nó có thể ở trạng thái chồng chập giữa việc được phản xạ hoặc truyền qua với xác suất tỉ lệ theo độ phản xạ của gương.

Khi đặt các cảm biến ở đường phản xạ và truyền qua, chỉ một trong số chúng sẽ phát hiện photon, không thể ghi nhận một nửa photon ở mỗi hướng.

Khi một gương phản xạ hoàn toàn đang phản xạ photon mà bị rút đi đột ngột, chúng ta có thể tưởng tượng photon sẽ ở trạng thái chồng chập giữa truyền qua và phản xạ, với xác suất phụ thuộc vào thời điểm rút gương tương quan với chiều dài vật lý của photon. Tuy nhiên, kết quả tính toán và lý luận từ các nhà khoa học cho thấy hiệu ứng này phức tạp hơn: photon không chỉ ở hai trạng thái mà còn sinh ra các photon mới với nhiều tần số khác nhau tạo nên các màu sắc cầu vồng.

Thời gian và tần số là hai khía cạnh liên quan mật thiết với nhau của một tín hiệu dao động. Một sự kiện ngắn về thời gian thường đòi hỏi phổ tần rộng để mô tả chính xác. Ví dụ, âm thanh ngắn và sắc nét sẽ bao gồm nhiều thành phần tần số khác nhau, tương tự đối với các xung điện từ ngắn. Trong trường hợp photon bị cắt làm đôi do gương phản xạ bị rút, sự thay đổi đột ngột trong sóng điện từ tạo ra các cạnh sắc nét trong tín hiệu, đòi hỏi nhiều photon với phổ tần rộng hơn photon ban đầu. Kết quả là hiện tượng xuất hiện các photon mới với nhiều màu sắc khác nhau, tạo hiệu ứng cầu vồng ánh sáng.

Để chứng minh hiện tượng này, thí nghiệm cần tạo ra photon đơn lẻ với phổ hẹp rất nhỏ và kích thước thời gian trải dài để phân biệt được các photon phát sinh do hiện tượng cắt đứt. Gương phải có khả năng chuyển trạng thái phản xạ sang truyền qua cực nhanh, trong khoảng thời gian femtosecond (10 -15 giây), điều mà gương vật lý truyền thống không thể thực hiện.

Loại vật liệu bán dẫn có khả năng thay đổi tính chất quang học nhanh nhờ kích thích bằng tia laser siêu ngắn là ứng viên tiềm năng nhất, mặc dù chính sóng laser này cũng tạo ra nhiễu lớn cho quá trình đo đạc các photon mới sinh ra. Người ta đã có những kết quả gián tiếp cho thấy các gương này làm ngắn xung quang và tạo ra phổ rộng hơn sau phản xạ, nhưng chưa quan sát trực tiếp đối với photon đơn lẻ.

Dự kiến trong vòng một năm tới, với kỹ thuật tiên tiến, hiện tượng cắt photon và tạo photon đa phổ sẽ được nghiên cứu và quan sát trực tiếp, mở ra hiểu biết mới về tính chất lượng tử của ánh sáng và sự tương tác phi tuyến của photon.