Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Một nghiên cứu mới trên tạp chí Nature đã đề ra kế hoạch kỹ thuật hóa các vật liệu lượng tử trong tương lai để hoạt động trong điều kiện đời sống hàng ngày. Nguồn: Nhóm Quang tử Lượng tử LSU.
 

Vật liệu lượng tử có tiềm năng định hình nhiều lĩnh vực như điện toán hiệu năng cao, truyền thông bảo mật, cảm biến độ nhạy cao và sản xuất năng lượng. Tuy nhiên, một hạn chế kéo dài đã ngăn cản phần lớn trong số chúng trở thành công nghệ ứng dụng thực tế. Hầu hết các vật liệu lượng tử được phát hiện đến nay chỉ hoạt động tốt khi được làm lạnh đến gần nhiệt độ cực thấp (khoảng 0 Kelvin). Ở nhiệt độ thường, nhiệt năng gây ra các rung động liên tục của nguyên tử, làm gián đoạn các hiệu ứng lượng tử mong manh mà các nhà nghiên cứu muốn khai thác. Để loại bỏ những chuyển động này, thường phải sử dụng các hệ thống làm lạnh bằng khí nitơ lỏng quy mô lớn. Do đó, các vật liệu này có thể hoạt động xuất sắc trong phòng thí nghiệm kiểm soát chặt chẽ, nhưng gặp nhiều khó khăn và chi phí cao khi đưa vào ứng dụng trong thực tế.

Một vật liệu lượng tử hoạt động ở nhiệt độ phòng

Các nhà vật lý của LSU đã phát triển thành công vật liệu lượng tử đầu tiên hoạt động ở nhiệt độ phòng, có khả năng nhận biết và vận chuyển các trạng thái lượng tử riêng biệt của ánh sáng. Thành tựu này, được đăng trên tạp chí Nature, giải quyết một trong những thử thách lớn nhất trong lĩnh vực vật liệu lượng tử. Dẫn dắt bởi Phó Giáo sư Omar S. Magaña-Loaiza, nhóm nghiên cứu không chỉ chứng minh một vật liệu mới mà còn đề xuất một chiến lược thiết kế rộng hơn, có thể tạo ra nhiều loại vật liệu lượng tử mới. Những vật liệu này tiềm năng hỗ trợ máy tính lượng tử, hệ thống truyền thông an toàn, cảm biến cao cấp và các công nghệ năng lượng sáng tạo. Đối với Chenglong You, từ cựu nghiên cứu sinh sau tiến sĩ trở thành giáo sư tại Đại học Khoa học và Công nghệ Điện tử Trung Quốc, niềm vui lớn nhất là khi thiết kế các vật liệu có thể hướng dẫn các trạng thái lượng tử một cách có chủ đích và dự đoán được. 

“Một trong những điều thú vị nhất của dự án này là nhận ra rằng chúng tôi có thể tạo ra một vật liệu làm điều mà tự nhiên không thể. Việc chứng kiến nó hoạt động đúng như dự đoán thực sự rất đáng giá,” You nói.

Xây dựng một tinh thể lượng tử nhân tạo

Thay vì đi tìm một chất trong tự nhiên có các đặc tính cần thiết, đội ngũ LSU đã chọn cách kỹ thuật hóa một chất từ đầu. Các nhà nghiên cứu bắt đầu bằng cách phủ một lớp vàng mỏng lên một mảnh thủy tinh. Sau đó, họ dùng các chùm tia ion hội tụ để cắt hàng trăm khe cực nhỏ vào kim loại, mỗi khe như một nguyên tử nhân tạo, hay siêu nguyên tử. Khi kết hợp, các siêu nguyên tử này tạo thành một tinh thể không giống bất kỳ loại nào trong tự nhiên. Cấu trúc này mỏng hơn sợi tóc người, và khi ánh sáng chiếu vào chip, nó di chuyển qua bề mặt vàng và tương tác với các siêu nguyên tử đã kỹ thuật hóa (thiết kế riêng biệt). Bằng cách điều chỉnh chính xác các tham số như kích thước, hình dạng và khoảng cách của cấu trúc, các nhà nghiên cứu kiểm soát cách vật liệu phản ứng với ánh sáng. Kết quả là, họ đạt được một dạng kiểm soát ánh sáng chưa từng có ở nhiệt độ phòng. “Bằng cách kỹ thuật hóa sự phân bố của các siêu nguyên tử trong siêu tinh thể plasmonic, chúng tôi có thể đặt ra một cách hệ thống các quy luật lượng tử cho phép các trạng thái đi qua cấu trúc. Vì vậy, tinh thể của chúng tôi hoạt động như một bộ lọc thống kê cho các trạng thái lượng tử,” Riley B. Dawkins, người mới hoàn thành luận án tiến sĩ và hiện đang làm nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST), cho biết. Nhóm Quang học lượng tử của Magaña-Loaiza tại LSU đã hoàn tất mọi công đoạn nghiên cứu, từ lý thuyết ban đầu, thiết kế vật liệu, đến chế tạo nano và thử nghiệm thực tế. Tuy nhiên, ý nghĩa của công trình không chỉ nằm ở việc tạo ra một vật liệu mới lạ. Giá trị thật sự nằm ở những gì mà siêu tinh thể mang lại.

Phân loại các trạng thái lượng tử khác nhau của ánh sáng

Ánh sáng không phải lúc nào cũng có đặc tính giống nhau. Ánh sáng mặt trời, laser và huỳnh quang đều gồm các photon, nhưng các photon trong từng loại có thể dao động và tương tác theo cách riêng biệt. Những thay đổi nhỏ này ảnh hưởng đến cách ánh sáng hoạt động ở cấp độ lượng tử. Cho đến nay, để phân biệt các khác biệt này thường cần thiết bị phức tạp, các đầu dò làm lạnh tới nhiệt độ cực thấp, cùng hàng triệu phép đo riêng lẻ. Siêu tinh thể mới có khả năng tự phân loại ánh sáng này. Thay vì chỉ phản ứng với màu sắc hoặc cường độ quen thuộc, nó phát hiện những khác biệt lượng tử tinh tế của ánh sáng chiếu vào và phân chia các trạng thái lượng tử khác nhau qua các tuyến đường riêng biệt trong tinh thể đó. Những tuyến đường này còn giúp một số trạng thái lượng tử di chuyển qua vật liệu mà ít bị thay đổi về thống kê. Các thống kê đó xác định đặc tính phân biệt các trạng thái lượng tử. Magaña-Loaiza chia sẻ: “Chúng tôi gọi đây là sự vận chuyển bền vững." “Các trạng thái lượng tử mang thông tin, và tinh thể của chúng tôi có thể phân biệt và chuyển chúng một cách bền vững mà không cần làm lạnh bằn phương pháp đông lạnh. Điều này mở ra khả năng cho các công nghệ lượng tử thực tiễn." Các nhà vật lý gọi hành vi lượng tử này là độ liên kết lượng tử. Duy trì độ liên kết này là một trong những thử thách lớn nhất trong khoa học thông tin lượng tử, vì các tương tác môi trường có thể phá hủy nó nhanh chóng. Trong nghiên cứu đăng trên tạp chí Nature, nhóm nghiên cứu mô tả siêu tinh thể là vật liệu lượng tử nhiệt độ phòng đầu tiên nhạy cảm với độ liên kết lượng tử của các hệ nhiều hạt.

Một loại vật liệu lượng tử hoàn toàn mới

Vật liệu này khác biệt đáng kể so với các vật liệu lượng tử truyền thống, đến mức các nhà nghiên cứu đã đặt tên mới cho nó: siêu tinh thể plasmonic thống kê lượng tử. Jannatul Ferdous, nghiên cứu sinh trong nhóm của Magaña-Loaiza, chia sẻ: “Đối với tôi, đây không chỉ là một dự án mà còn là một nỗ lực tập thể, dựa trên ý tưởng tạo ra một công nghệ lượng tử hoàn toàn mới. Điều thú vị nhất là chúng tôi không chỉ phát triển một lớp vật liệu lượng tử nhiệt độ phòng mới mà còn xây dựng lý thuyết để hiểu và kiểm soát hành vi của nó. Thành công khi biến ý tưởng thành thực nghiệm là một điều rất đáng tự hào”. Nhóm cũng phát hiện ra rằng siêu tinh thể tự nhiên tạo ra các cấu trúc gọi là các dải thống kê lượng tử, tương tự các dải điện tử kiểm soát cách điện trong bán dẫn, nhưng trong vật liệu mới, các dải này chi phối sự chuyển động và hành vi thống kê của các trạng thái lượng tử của ánh sáng. Bằng cách điều chỉnh cách sắp xếp các siêu nguyên tử, các nhà nghiên cứu có thể chọn trạng thái lượng tử nào đi qua vật liệu mà không thay đổi, trong khi các trạng thái khác bị điều chỉnh theo thống kê. Mức độ kiểm soát này đánh dấu bước tiến lớn trong phát triển vật liệu lượng tử, khi các nhà khoa học không còn phụ thuộc hoàn toàn vào các chất tự nhiên có tính chất hữu ích, mà có thể thiết kế các vật liệu mang theo các trạng thái lượng tử theo ý muốn và dự đoán trước. Những phát hiện này đưa ra một bản thiết kế tổng quát giúp xây dựng nhiều vật liệu lượng tử trong tương lai, thay vì chỉ là một khám phá đơn lẻ.

Các ứng dụng tiềm năng trong điện toán và truyền thông

Hoạt động ở nhiệt độ phòng làm cho siêu tinh thể này trở nên đặc biệt quan trọng cho các công nghệ vượt xa nghiên cứu vật lý cơ bản. Những vật liệu tương tự có thể trong tương lai mang thông tin lượng tử trong máy tính lượng tử mà không cần hệ thống làm lạnh khổng lồ. Giảm hoặc loại bỏ nhu cầu làm lạnh bằng phương pháp đông lạnh có thể dẫn đến các thiết bị lượng tử nhỏ hơn, rẻ hơn và dễ dàng triển khai hơn. Các nguyên tắc thiết kế tương tự cũng có thể giúp phát triển các mạng truyền thông lượng tử thực tiễn hơn, cảm biến độ nhạy cao và các công nghệ lượng tử khác đang tiến bộ.

Một động lực tiềm năng cho năng lượng mặt trời

Khả năng truyền sáng của vật liệu với ít mất mát hơn có thể mang lại những ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực năng lượng tái tạo. Hiện nay, các pin mặt trời không chuyển đổi toàn bộ ánh sáng mặt trời thành điện năng, phần lớn ánh sáng bị giữ lại trong vật liệu rồi cuối cùng chuyển thành nhiệt, làm giảm hiệu quả sản xuất năng lượng. Một loại siêu tinh thể khả năng định hướng ánh sáng theo những con đường ổn định hơn có thể giúp giảm thiểu mất mát năng lượng. Nhờ đó, nhiều ánh sáng hơn có thể được giữ lại để chuyển thành điện năng. Nhóm nghiên cứu cho biết việc thử nghiệm khả năng này là bước tiếp theo. Họ dự định tích hợp siêu tinh thể vào pin mặt trời để xem liệu nó có thể nâng cao tỷ lệ ánh sáng chuyển đổi thành điện năng hữu ích hay không. Thành công sẽ mở ra bước đột phá dựa trên vật lý lượng tử cơ bản, có thể trực tiếp thúc đẩy các cải tiến trong công nghệ năng lượng mặt trời thế hệ mới.

 

Nguồn: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/08/260806050706.htm