MỸ – Trong những không gian nhỏ hơn bước sóng ánh sáng (bước sóng của dải ánh sáng mà mắt người nhìn thấy được rơi vào khoảng 380-700 nanomet, với 1 nanomet = 1 phần một tỷ mét), dòng điện nhảy từ điểm này sang điểm khác và từ trường xoắn ốc xuyên qua các mạng tinh thể nguyên tử theo những cách vượt ngoài khả năng suy luận thông thường. Từ trước đến nay, việc quan sát trực tiếp những hiện tượng này vẫn luôn là ước mơ của các nhà khoa học.

Các nhà nghiên cứu đã phát triển một kỹ thuật cảm biến từ tính sử dụng hiện tượng rối lượng tử để phát hiện những biến động vốn bị ẩn giấu trong các vật liệu tiên tiến như chất siêu dẫn. Bằng cách cấy ghép các điểm khiếm khuyết vào kim cương nhân tạo, các nhà nghiên cứu đã hé lộ một cái nhìn chưa từng có về cấu trúc từ trường và nhiễu tương quan, một đại lượng nằm ngoài khả năng đo lường của các thiết bị hiện có.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại đại học Princeton (Princeton University) đã phát triển một loại cảm biến lượng tử dựa trên kim cương, có khả năng cho biết những thông tin mới về các hiện tượng từ tính ở quy mô siêu nhỏ. Kỹ thuật này phát hiện ra những dao động nằm ngoài khả năng của các thiết bị hiện có, và cung cấp những hiểu biết quan trọng về các vật liệu như graphene (1) và chất siêu dẫn. Chất siêu dẫn chính là nền tảng cho những công nghệ đầy hứa hẹn trong tương lai như đường dây truyền tải điện không hao phí (lossless powerlines) (2) và tàu đệm từ (levitating train).
(1) Graphene: là vật liệu mỏng nhất từng được biết, với độ dày chỉ một lớp nguyên tử (gần 0,34 nanomet). Dù mỏng như vậy, vật liệu này lại cứng hơn kim cương và bền hơn thép khoảng 200 lần ở cùng độ dày.
(2) Đường dây truyền tải điện không hao phí: thông thường, khi truyền tải điện qua dây đồng hoặc nhôm, một phần năng lượng bị biến thành nhiệt năng do điện trở. Do chất siêu dẫn có điện trở bằng 0, nên khi dùng chất siêu dẫn làm dây dẫn, có thể truyền tải điện đi cực xa mà không bị mất năng lượng, giúp tiết kiệm chi phí.

Mặc dù các phương pháp cảm biến dựa trên kim cương đã được phát triển trong suốt nửa thập kỷ qua, nhưng trong một bài báo được công bố trên tạp chí Nature, các nhà nghiên cứu đã ghi nhận độ nhạy cao hơn gần 40 lần so với các kỹ thuật trước đây.

Bà Nathalie de Leon, Phó giáo sư kỹ thuật điện và máy tính, đồng thời là tác giả chính của bài báo, cho biết kỹ thuật mới này cung cấp cho các nhà nghiên cứu một cách thức để quan sát trực tiếp cấu trúc của “các từ trường cực nhỏ và ở thang đo độ dài cực ngắn”. Điều đó làm sáng tỏ những chi tiết về sự dao động từ tính mà các phương pháp truyền thống không thể phát hiện được trong các dữ liệu thống kê.

Phó giáo sư Leon chia sẻ: “Đây là một trường hợp hoàn toàn mới. Sẽ không thể nhìn thấy những điều này bằng các kỹ thuật truyền thống.”

Phương pháp mới trong nghiên cứu vật liệu lượng tử thực tiễn
Kỹ thuật mới của nhóm nghiên cứu dựa trên các khiếm khuyết được tạo ra gần bề mặt của một viên kim cương nhân tạo. Những viên kim cương này, với kích thước xấp xỉ một hạt muối biển, sở hữu độ tinh khiết vượt xa kim cương tự nhiên. Các khiếm khuyết được tạo ra trong cấu trúc của chúng có kích thước cực nhỏ, chỉ tương đương một nguyên tử bị thiếu hụt trong mạng tinh thể gồm hàng tỷ nguyên tử. Tuy nhiên, nhờ vào khả năng tương tác mạnh mẽ với từ trường và đặc tính có thể tùy chỉnh chính xác, chúng đã trở thành những cảm biến từ tính ưu việt.

Thông thường, các cảm biến này được vận hành như những điểm đơn lẻ trong không gian. Trong bước tiến mới nhất này, Phó giáo sư Leon và cộng sự đã xây dựng một hệ thống cấy ghép hai khiếm khuyết này ở khoảng cách cực kỳ gần nhau. Điều này cho phép chúng tương tác theo các quy luật cơ học lượng tử, và trước sự ngạc nhiên của các nhà nghiên cứu, sự tương tác này đã giúp nâng cao đáng kể năng lực của toàn bộ hệ thống.

Ông Philip Kim, một nhà vật lý thực nghiệm tại đại học Harvard, chia sẻ: “Đây là một phương pháp vận hành hoàn toàn mới cho cảm biến lượng tử, cho phép chúng ta thăm dò những thứ mà trước đây chưa từng khả thi”. Theo ông Kim, các kỹ thuật khác trước đây nhằm thu thập thông tin này thường bị giới hạn trong các mảng nguyên tử được xây dựng tỉ mỉ, thay vì trên các vật liệu thực. Kỹ thuật mới này cho phép các nhà khoa học trực tiếp khảo sát các vật liệu thực tế.

Hiện tại, ông Kim đang hợp tác với bà de Leon bằng cách sử dụng các kỹ thuật bổ trợ tại phòng thí nghiệm của mình, nơi ông nghiên cứu về vật lý vật chất ngưng tụ (condensed matter physics). Cụ thể, ông tập trung vào các chất siêu dẫn có thể được làm lạnh bằng nitơ lỏng đến nhiệt độ tới hạn của chúng, và graphene, một loại vật liệu vốn rất khó để chế tạo ở quy mô lớn.

Hiện tượng rối lượng tử (quantum entanglement) cho biết các tín hiệu trong nhiễu
Để tạo ra cảm biến mới, các nhà nghiên cứu bắn các phân tử nitơ di chuyển với vận tốc hơn 9.144 mét mỗi giây vào kim cương. Khi một phân tử va chạm vào bề mặt cứng của kim cương với mức năng lượng lớn như vậy, phân tử sẽ bị phân tách, khiến hai nguyên tử nitơ (không còn liên kết hóa học) văng theo hai hướng khác nhau vào cấu trúc tinh thể của kim cương.
(*) Rối lượng tử: là một trong những hiện tượng kỳ lạ của cơ học lượng tử. Nó mô tả một trạng thái mà hai hoặc nhiều hạt kết nối với nhau chặt chẽ đến mức trạng thái của hạt này phụ thuộc trực tiếp vào trạng thái của hạt kia, bất kể chúng cách nhau bao xa.

Mặc dù hiện tượng rối lượng tử thường được xem là một thách thức đối với các kỹ sư, Tiến sĩ Jared Rovny (bên phải) đã tìm ra cách khai thác hiện tượng này như một nguồn lực để đạt được lợi thế lượng tử với chi phí bổ sung rất thấp, theo nhận định của người hướng dẫn ông (Phó giáo sư Nathalie de Leon) đây là một thành tựu hiếm có

Bằng cách kiểm soát chính xác mức năng lượng của phân tử khi va chạm vào kim cương, các nhà nghiên cứu có thể điều chỉnh độ sâu mà các nguyên tử nitơ thâm nhập. Trong trường hợp này, chúng xuyên qua vài chục nguyên tử carbon và dừng lại ở độ sâu khoảng 20 nanomet dưới bề mặt, với khoảng cách giữa hai nguyên tử gần 10 nanomet. Khoảng cách cực nhỏ này cho phép hai nguyên tử tương tác với nhau theo những cách tạo ra hiện tượng rối lượng tử.

Khi bị rối lượng tử, các electron trong hai nguyên tử nitơ bắt đầu hoạt động đồng bộ. Việc đo lường một nguyên tử sẽ cho kết quả tương quan hoàn hảo với nguyên tử còn lại. Do vẫn đại diện cho hai điểm riêng biệt (giống như hai con mắt), các cảm biến rối lượng tử có thể xác định vị trí các tín hiệu trong những dao động nhiễu và tập trung hiệu quả vào nguồn gây nhiễu.

Ở thang kích thước này, nằm giữa cấp độ nguyên tử và bước sóng của ánh sáng nhìn thấy, theo Phó giáo sư Leon, các nhà khoa học mong muốn đo lường những đại lượng trước đây không thể quan sát, chẳng hạn như quãng đường một electron di chuyển trong vật liệu trước khi va chạm với hạt khác, hoặc sự tiến hóa của các xoáy từ xuất hiện trong vật liệu siêu dẫn trong những điều kiện đặc biệt.

Ông Kim chia sẻ: “Đó thực sự là thang đo chiều dài cần quan tâm. Một phạm vi rất phù hợp để có thể hiểu được nhiều hiện tượng thú vị.”

Một điểm yếu của cảm biến dẫn đến lợi thế lượng tử
Bước đột phá dẫn đến cảm biến rối lượng tử này bắt nguồn từ Tiến sĩ Jared Rovny, người bắt đầu làm việc với Phó giáo sư Leon vào năm 2020 trong vai trò một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ khóa đầu tiên của chương trình nghiên cứu Princeton quantum initiative (tạm dịch là ‘Sáng kiến lượng tử princeton).

Đại dịch COVID-19 đã hạn chế việc tiếp cận phòng thí nghiệm khi Tiến sĩ Rovny bắt đầu công việc. Vì vậy, như nhiều đồng nghiệp khác, ông bắt tay vào nghiên cứu những ý tưởng không yêu cầu thiết lập thí nghiệm trực tiếp. Ông và Phó giáo sư Leon quyết định tìm hiểu sâu hơn về lý thuyết nhiễu từ và xem liệu có cách nào sử dụng các khiếm khuyết của kim cương (được gọi là các tâm khuyết nitơ – nitrogen vacancy centres), để phát hiện các mối tương quan trong nhiễu từ vốn luôn hiện hữu trong nền vật lý chất rắn.

Phó giáo sư Leon nói rằng: “Ban đầu, đây là một trong những dự án lý thuyết khá ‘kỳ lạ’ nảy sinh trong thời kỳ dịch Covid 19”. Khi đó, việc cảm nhận các mối tương quan trong nhiễu từ trường không phải là một chủ đề được thảo luận trong cộng đồng khoa học. Thực tế, họ khởi động dự án hoàn toàn vì tò mò, chưa rõ nó sẽ dẫn tới đâu. “Chỉ sau khi bắt đầu hệ thống hóa vấn đề, chúng tôi mới nhận ra sức mạnh thực sự của nó.”

Tiến sĩ Rovny có nền tảng về cộng hưởng từ hạt nhân (nuclear magnetic resonance – NMR), trong đó sự tương tác giữa các hạt và mối tương quan của chúng giữ vai trò trung tâm trong nghiên cứu. Điều này đã khơi dậy sự tò mò của ông và giúp dự án chuyển sang một hướng nghiêm túc hơn.

Tiến sĩ Rovny chia sẻ: “Tôi luôn hướng đến việc nghiên cứu các tương tác trong lĩnh vực cộng hưởng từ hạt nhân. Có rất nhiều ý tưởng vật lý khác nhau mà tôi muốn khám phá, liên quan đến sự tương tác giữa các vật thể này, thay vì tách biệt chúng.”

Ban đầu, thông qua sự hợp tác với ông Shimon Kolkowitz, một nhà vật lý nguyên tử tại đại học Wisconsin-Madison (hiện đang công tác tại đại học California-Berkeley), nhóm nghiên cứu đã xem xét các mối tương quan giữa hai trung tâm khi chúng chưa ở trạng thái rối lượng tử. Mặc dù các phương pháp đó đã dẫn đến những phát hiện thú vị, nhưng chúng rất khó thực hiện về mặt kỹ thuật và quá phức tạp đối với hầu hết các ứng dụng thực nghiệm.

Tiến sĩ Rovny nói thêm khi đề cập đến các tâm khuyết nitơ (NV centers): “Tôi nhận ra rằng, khi hai cảm biến (các tâm khuyết nitơ) được rơi vào trang thái “rối” (entangled) với nhau, chúng không còn hoạt động độc lập nữa. Thay vào đó, chúng trở thành một hệ thống thống nhất.”

Dấu hiệu đặc trưng đó cho phép họ vượt qua những rào cản kỹ thuật phức tạp nhất và mang lại cho họ lợi thế khi sở hữu năng lực của hai cảm biến, với chi phí vận hành chỉ tương đương với một cảm biến riêng lẻ.

Phó giáo sư Leon cho biết: “Giờ đây, tất cả những gì tôi cần thực hiện là một phép đo duy nhất, một phép đo bình thường duy nhất.”

Để xem các tin bài khác về “Cảm biến”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online