Các sóng ánh sáng có thể được lọc dựa trên 3 tính chất cơ bản, đó là màu sắc (hay độ dài bước sóng), độ phân cực và hướng của ánh sáng. Trong khi từ lâu người ta đã có thể lọc ánh sáng một cách có chọn lọc dựa trên màu sắc và độ phân cực của nó, tuy nhiên việc lựa chọn dựa trên hướng ánh sáng vẫn còn là một khó khăn.

Nhưng giờ đây, lần đầu tiên các nhà khoa học viện công nghệ MIT đã sáng chế ra một hệ thống, cho phép tất cả các ánh sáng của mọi màu sắc đi xuyên qua chỉ khi nó đến từ một góc cụ thể. Kỹ thuật này phản xạ lại tất cả các ánh sáng đến từ các hướng khác. Cách tiếp cận mới này có thể dẫn đến những tiến bộ mới trong kỹ thuật quang điện năng lượng mặt trời, các đầu dò của kính thiên văn và kính hiển vi, và các bộ lọc riêng cho các màn hình hiển thị.

Nghiên cứu này đã được mô tả trong một bài báo xuất bản tuần này trên tạp chí Science, do sinh viên đã tốt nghiệp viện công nghệ MIT Yichen Shen, giáo sư vật lý Marin Soljačić và 4 nhà khoa học khác là tác giả. “Chúng tôi rất vui mừng về phát hiện này, vì nó là một viên gạch xây dựng cơ bản trong khả năng kiểm soát ánh sáng của chúng ta”.

Cấu trúc mới gồm có một chồng các lớp siêu mỏng các vật liệu xen kẽ tại nơi mà độ dày của mỗi lớp được kiểm soát một cách chính xác. “Khi bạn có 2 vật liệu, sau đó tại phần giao giữa hai vật liệu bạn sẽ có sự phản xạ” Soljačić giải thích. Nhưng tại những bề mặt chung này, “có một góc ma thuật được đặt tên là góc Brewster, và khi ánh sáng đi vào đúng góc đó và độ phân cực thích hợp, sẽ không bị phản xạ lại”.

Trong khi tổng lượng ánh sáng phản xạ tại mỗi bề mặt chung này là rất ít, bằng cách kết hợp nhiều lớp vật liệu với cùng các tính chất, phần lớn ánh sáng có thể bị phản xạ đi – trừ trường hợp ánh sáng chiếu tới đúng góc đó và độ phân cực một cách chính xác.

Bằng việc sử dụng một lớp gồm khoảng 80 lớp vật liệu có độ dày chính xác, Shen cho biết “Chúng tôi có thể phản chiếu ánh sáng tại hầu hết các góc, trên một dải rất rộng của màu sắc: toàn bộ tần số ánh sáng có thể nhìn thấy bằng mắt thường”.

Nghiên cứu trước đây đã chứng minh cách thức phản chiếu ánh sáng một cách có chọn lọc ngoại trừ một góc chính xác, nhưng những tiếp cận đó bị giới hạn bởi một phạm vi hẹp các màu sắc của ánh sáng. Nhóm nghiên cứu cho biết, sự mở rộng của hệ thống mới này có thể mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng.

Shen nói: “Nghiên cứu này có thể có những ứng dụng tuyệt vời trong lĩnh vực năng lượng, và đặc biệt là trong quang điện nhiệt (thermophotovoltaic)”, khai thác năng lượng mặt trời bằng cách sử dụng ánh sáng mặt trời để làm nóng một vật liệu, sau đó phát ra ánh sáng có màu sắc cụ thể. Sự phát ra ánh sáng đó có thể được khai thác bằng cách sử dụng một tế bào quang điện điều chỉnh để làm tối đa hóa việc sử dụng màu sắc đó của ánh sáng. Nhưng đối với cách tiếp cận này, để hoạt động được cần thiết phải hạn chế nhiệt và ánh sáng tổn thất do phản xạ, và lại phát ra, vì vậy khả năng kiểm soát một cách có chọn lọc những phản xạ đó có thể nâng cao hiệu quả.

Những phát hiện này có thể rất hữu ích trong các hệ thống quang học, ví dụ như kính hiển vi và kính thiên văn, giúp quan sát các đối tượng mờ nhạt nằm gần các đối tượng sáng hơn – ví dụ như khi một hành tinh sáng mờ bên cạnh một ngôi sao sáng. Bằng cách sử dụng một hệ thống tiếp nhận ánh sáng duy nhất từ một góc xác định, các thiết bị này có thể có cải thiện khả năng phát hiện các mục tiêu không rõ nét. Lọc cũng có thể được áp dụng đối với các màn hình hiển thị của điện thoại hoặc máy tính, để cho chỉ có những người xem từ phía trước trực tiếp của màn hình có thể xem được.

Về nguyên tắc, chọn lọc các góc có thể được tạo ra tỷ mỉ hơn đơn giản bằng cách thêm vào chồng nhiều lớp hơn, các nhà nghiên cứu nói. Đối với các thí nghiệm đã thực hiện cho tới nay cho thấy góc lựa chọn là khoảng 10 độ, 90% ánh sáng tới trong góc này đã đi qua được hệ thống.

Trong lúc những thí nghiệm này được thực hiện bằng cách sử dụng các lớp kính và titan oxit, Shen cho biết, về nguyên tắc bất kỳ hai vật liệu nào có chiết suất khác nhau đều có thể sử dụng được.

John Pendry, một giáo sư tại trường Imperial College London, người không tham gia vào nghiên cứu này đã gọi nghiên cứu này là một “ứng dụng khéo léo”.

“Trên phạm vi vĩ mô, điều này tương đương với việc quan sát thế giới thông qua một bộ các mái hắt… điều đó chỉ cho phép ánh sáng đi vào từ một hướng”, Pendry nói. “Tuy nhiên, thiết bị mới này tinh vi hơn nhiều, hoạt động trên quy mô chiều dài của bước sóng ánh sáng”.

Nhóm nghiên cứu cũng gồm các nhà khoa học thuộc viện nghiên cứu MIT Ivan Celanovic; giáo sư toán học Steven Johnson, John Joannopoulos, Francis Davis Wright giáo sư vật lý và Dexin Ye của Đại học Chiết Giang ở Trung Quốc. Nghiên cứu đã được hỗ trợ một phần bởi Văn phòng nghiên cứu quân đội, thông qua trung tâm MIT S3TEC Energy Research Frontier Center.