Tất cả các nguồn ánh sáng hoạt động bằng cách hấp thụ năng lượng - ví dụ, dòng điện - và phát ra năng lượng dưới dạng ánh sáng. Nhưng năng lượng cũng có thể mất đi như nhiệt và vì thế điều quan trọng là các nguồn sáng phát ra ánh sáng càng nhanh càng tốt, trước khi năng lượng bị mất đi dưới dạng nhiệt. nguồn ánh sáng siêu nhanh này có thể được sử dụng trong các đèn laser, đèn LED và các nguồn ánh sáng đơn photon cho công nghệ lượng tử. Kết quả nghiên cứu mới của Viện Niels Bohr cho thấy nguồn ánh sáng có thể “thực hiện” nhanh hơn nhiều khi ứng dụng nguyên lý đã được dự đoán theo lý thuyết vào năm 1954. Các kết quả này đã được công bố trên tạp chí khoa học Physical Review Letter.

Hiện tại, các nhà nghiên cứu tại Viện Niels Bohr đang nghiên cứu các chấm lượng tử, đây là một loại nguyên tử nhân tạo, có thể tích hợp vào các chíp quang học. Trong các chấm lượng tử, các electron có thể nhảy lên khi bị kích thích. Ví dụ, khi chiếu ánh sáng laze vào nó, các electron sẽ để lại một lỗ trống (hole). Sự tương tác giữa ánh sáng với vật chất càng mạnh, khiến các electron càng phân rã quay trở lại lỗ trống nhanh lớn và ánh sáng cũng bị phát tán nhanh hơn.

Tuy nhiên, sự tương tác tự nhiên giữa ánh sáng và vật chất vốn rất yếu và nó khiến cho các nguồn ánh sáng phát sáng rất chậm và điều này có thể làm giảm hiệu quả năng lượng. Năm 1954, nhà vậy lý Robert Dicke đã dự đoán rằng sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất có thể bị giảm bởi có một số các nguyên tử “chia sẻ” trạng thái bị kích thích ở trạng thái chồng chất lượng tử (quantum superposition).

Cho đến nay việc giải thích hiệu ứng này là thách thức, bời vì các nguyên tử hoặc là tiến quá gần nhau nên chúng va chạm vào các nguyên tử khác, hoặc là chúng ở cách quá xa nhau nên gia tốc lượng tử không làm việc. Cuối cùng, các nhà nghiên cứu tại Viện Niels Bohr cũng đã chứng minh được các tác động này qua thực nghiệm, nhưng trong một hệ thống vật lý hoàn toàn khác với Dicke. Họ đã cho thấy cái gọi là hiện tượng siêu phát quang (Superradiance) cho các photon được phát ra từ một chấm lượng tử đơn.

“Chúng tôi đã phát triển được một chấm lượng tử sao cho nó hành động như khi nó gồm có 5 châm lượng tử, có nghĩa là ánh sáng sẽ mạnh hơn gấp 5 lần. Điều này là do sự hút giữa electron và hố. Nhưng điều đặc biệt là chấm lượng tử này vẫn chỉ phát ra một photon duy nhất tại một thời điểm. Nó là một nguồn photon đơn nổi bật”, Søren Stobbe, phó giáo sư trong nhóm nghiên cứu quang lượng tử tại Viện Niels Bohr thuộc Đại học Copenhagen, người đứng đầu nghiên cứu này, cho biết. Thí nghiệm được phối hợp thực hiện với nhóm nghiên cứu của giáo sư David Ritchie tại Đại học Cambridge, người đã tạo ra các chấm lượng tử.

Petru Tighineanu, nhà nghiên cứu bậc sau tiến sỹ trong nhóm nghiên cứu quang lượng tử tại Viện Niels, là người thực hiện các thí nghiệm này. Ông đã lý giải các nguyên tử này rất nhỏ và ánh sáng thì lại rất “lớn” vì bước sóng của nó dài, cho nên ánh sáng gần như không thể “nhìn thấy” nguyên tử. Điều này giống như một chiếc xe tải đang chạy trên đường, nó không nhận thấy một viên sỏi nhỏ bé ở trên đường đi. Nhưng khi nhiều viên sỏi tạo thành một hòn đá lớn, chiếc xe tải sẽ nhận ra được nó và khi đó sự va chạm nhau sẽ nhiều hơn đáng kể. Tương tự như thế, ánh sáng tương tác mạnh nhiều hơn với chấm lượng tử khi chấm lượng tử ở trạng thái lượng tử chồng chất đặc biệt, điều này khiến cho nó trông có vẻ to lớn hơn rất nhiều.

“Sự tương tác ánh sáng- vật chất tăng lên làm cho các chấm lượng tử mạnh hơn đối với vấn đề nhiễu loạn mà được tìm thấy ở toàn bộ các vật liệu như các dao động âm thanh. Nó trợ giúp để làm cho các photon đồng đều hơn và có ý nghĩa to lớn đối với cách thức bạn có thể chế tạo các máy tính lượng tử tương lai”, Søren Stobbe cho biết.