Mai Nhung
Writer
Một nhóm các nhà khoa học tại Đại học Macquarie, Australia đã công bố một phát hiện đáng kinh ngạc: sử dụng hai quả nho tươi có thể thay thế các buồng cộng hưởng sapphire trị giá hàng tỷ đồng trong cảm biến lượng tử, đồng thời tăng gấp đôi hiệu suất hoạt động.
Từ sapphire tỷ đồng đến nho ngàn đồng: Sự thay đổi ngoạn mục
Cảm biến lượng tử, dựa trên các hiệu ứng lượng tử như vướng víu, giao thoa và nén trạng thái lượng tử, vượt trội hơn hẳn so với các cảm biến thông thường về độ chính xác. Chúng đóng vai trò thiết yếu trong máy tính lượng tử, đồng hồ nguyên tử và các thiết bị đo lường siêu chính xác. Việc nâng cao hiệu suất của cảm biến lượng tử luôn là mục tiêu quan trọng của giới khoa học, thông qua việc tìm kiếm vật liệu mới và tối ưu hóa cơ chế đo.
Trước đây, việc chế tạo buồng cộng hưởng bằng sapphire nguyên chất được coi là giải pháp tối ưu để ổn định tần số, giảm nhiễu và tăng độ nhạy cho cảm biến. Tuy nhiên, chi phí cho các buồng cộng hưởng này rất cao, thường lên đến hàng tỷ đồng, do giá thành đắt đỏ của sapphire.
Bước ngoặt xảy ra khi các nhà khoa học tại Đại học Macquarie thử nghiệm thay thế buồng cộng hưởng sapphire bằng hai quả nho. Kết quả cho thấy hiệu suất của cảm biến lượng tử đã tăng lên gấp đôi. Điều này đồng nghĩa với việc một vật liệu có giá trị chỉ khoảng 1.000 đồng (giá của hai quả nho) có thể thay thế một thiết bị trị giá hàng tỷ đồng, một sự chênh lệch giá trị lên đến hàng triệu lần. Phát hiện này không chỉ gây bất ngờ cho giới khoa học mà còn mở ra một hướng đi mới đầy tiềm năng trong lĩnh vực công nghệ lượng tử.
Giải mã bí ẩn: Vì sao nho có thể thay thế sapphire?
Để hiểu được hiện tượng này, cần phải xem xét nguyên lý hoạt động của cảm biến lượng tử. Cảm biến lượng tử hoạt động dựa trên các nguyên lý của vật lý lượng tử, do đó, chúng cần được chế tạo từ các thành phần cực nhỏ, ở cấp độ nguyên tử. Một trong những thành phần thường được sử dụng là kim cương, với mạng tinh thể carbon. Sự xuất hiện của tạp chất nitơ trong mạng tinh thể này tạo ra các "khuyết tật" có tính chất quang học, được gọi là tâm Nitơ khuyết tật (NV).
Tiến sĩ Sarath Raman Nair, giảng viên công nghệ lượng tử tại Đại học Macquarie, giải thích: "Kim cương nguyên chất không màu, nhưng khi một số nguyên tử carbon bị thay thế bởi các nguyên tử khác, chúng có thể hình thành các tâm 'khuyết tật' có tính chất quang học". Các tâm NV này hoạt động như những nam châm siêu nhỏ, có khả năng phát hiện từ trường. Để tăng độ nhạy, từ trường xung quanh các nam châm này cần được tăng cường, và đó là vai trò của buồng cộng hưởng sapphire.
Vai trò của buồng cộng hưởng: Từ sapphire đến nho
Buồng cộng hưởng sapphire tập trung năng lượng vi sóng, làm cho electron của nhôm oxyt (Al2O3) bên trong dao động ở một tần số nhất định, tạo ra "điểm nóng từ trường cục bộ" mà các tâm NV trong kim cương có thể dễ dàng phát hiện. Về cơ bản, buồng cộng hưởng sapphire hoạt động như một chiếc kính lúp, khuếch đại trường điện từ để cảm biến kim cương nano có thể "nhìn thấy".
Điều bất ngờ là nho cũng có khả năng khuếch đại vi sóng. Hiện tượng này đã được phát hiện từ năm 1994, khi một người đàn ông đặt nho vào lò vi sóng và gây ra nổ. Các nhà khoa học giải thích rằng do nho chứa nhiều nước và có hình dạng gần cầu, chúng có khả năng tập trung vi sóng rất mạnh. Khi đặt hai quả nho cạnh nhau trong lò vi sóng, chúng có thể tạo ra tia lửa plasma với nhiệt độ lên đến 10.000 độ C.
Thí nghiệm với nho: Kết quả bất ngờ
Các nhà khoa học tại Đại học Macquarie đã tận dụng hiệu ứng này để khuếch đại từ trường xung quanh cảm biến kim cương nano. Bằng cách đặt hai quả nho cạnh nhau, xuyên một ống sợi thủy tinh vào giữa và đặt một viên kim cương nano ở đầu ống, họ đã tạo ra một cảm biến lượng tử đơn giản. Khi chiếu ánh sáng laser xanh lá cây qua sợi thủy tinh, cảm biến làm cho các tâm NV trong kim cương phát ra ánh sáng đỏ. Độ sáng của ánh sáng đỏ này cho biết cường độ của trường vi sóng xung quanh hai quả nho.
Ali Fawaz, nghiên cứu sinh tiến sĩ vật lý lượng tử tại Đại học Macquarie, cho biết: "Sử dụng kỹ thuật này, chúng tôi thấy từ trường của bức xạ vi sóng mạnh gấp đôi khi có nho". Ông cũng cho biết thêm nước có khả năng tập trung năng lượng vi sóng tốt hơn sapphire, nhưng kém ổn định hơn và tiêu thụ nhiều năng lượng hơn. Đây là thách thức cần được giải quyết trong các nghiên cứu tiếp theo.
Tiềm năng ứng dụng và hướng nghiên cứu tương lai
Nghiên cứu này mở ra khả năng chế tạo các buồng cộng hưởng chứa nước để thay thế buồng sapphire đắt đỏ. Các buồng cộng hưởng vi sóng này có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như vệ tinh, maser và hệ thống lượng tử. Trong các ứng dụng lượng tử, chúng được sử dụng để điều khiển các hệ thống như qubit spin thông qua từ trường.
Giáo sư Thomas Volz, người đứng đầu nhóm Vật liệu và Ứng dụng Lượng tử tại Đại học Macquarie, cho biết: "Nghiên cứu này mở ra một hướng đi mới để khám phá các thiết kế bộ cộng hưởng vi sóng thay thế cho công nghệ lượng tử, có khả năng dẫn đến các thiết bị cảm biến lượng tử nhỏ gọn và hiệu quả hơn".
Trong khi chờ đợi các buồng cộng hưởng chứa nước được phát triển, nho vẫn sẽ là một lựa chọn tiềm năng cho các nhà khoa học. Các thử nghiệm cho thấy những quả nho có đường kính khoảng 2,7 cm cho hiệu ứng cộng hưởng mạnh nhất. Phát hiện này không chỉ mang tính đột phá về mặt khoa học mà còn mở ra những cơ hội mới cho việc ứng dụng công nghệ lượng tử trong thực tiễn.
Cảm biến lượng tử, dựa trên các hiệu ứng lượng tử như vướng víu, giao thoa và nén trạng thái lượng tử, vượt trội hơn hẳn so với các cảm biến thông thường về độ chính xác. Chúng đóng vai trò thiết yếu trong máy tính lượng tử, đồng hồ nguyên tử và các thiết bị đo lường siêu chính xác. Việc nâng cao hiệu suất của cảm biến lượng tử luôn là mục tiêu quan trọng của giới khoa học, thông qua việc tìm kiếm vật liệu mới và tối ưu hóa cơ chế đo.
Trước đây, việc chế tạo buồng cộng hưởng bằng sapphire nguyên chất được coi là giải pháp tối ưu để ổn định tần số, giảm nhiễu và tăng độ nhạy cho cảm biến. Tuy nhiên, chi phí cho các buồng cộng hưởng này rất cao, thường lên đến hàng tỷ đồng, do giá thành đắt đỏ của sapphire.
Bước ngoặt xảy ra khi các nhà khoa học tại Đại học Macquarie thử nghiệm thay thế buồng cộng hưởng sapphire bằng hai quả nho. Kết quả cho thấy hiệu suất của cảm biến lượng tử đã tăng lên gấp đôi. Điều này đồng nghĩa với việc một vật liệu có giá trị chỉ khoảng 1.000 đồng (giá của hai quả nho) có thể thay thế một thiết bị trị giá hàng tỷ đồng, một sự chênh lệch giá trị lên đến hàng triệu lần. Phát hiện này không chỉ gây bất ngờ cho giới khoa học mà còn mở ra một hướng đi mới đầy tiềm năng trong lĩnh vực công nghệ lượng tử.
Giải mã bí ẩn: Vì sao nho có thể thay thế sapphire?
Để hiểu được hiện tượng này, cần phải xem xét nguyên lý hoạt động của cảm biến lượng tử. Cảm biến lượng tử hoạt động dựa trên các nguyên lý của vật lý lượng tử, do đó, chúng cần được chế tạo từ các thành phần cực nhỏ, ở cấp độ nguyên tử. Một trong những thành phần thường được sử dụng là kim cương, với mạng tinh thể carbon. Sự xuất hiện của tạp chất nitơ trong mạng tinh thể này tạo ra các "khuyết tật" có tính chất quang học, được gọi là tâm Nitơ khuyết tật (NV).
Tiến sĩ Sarath Raman Nair, giảng viên công nghệ lượng tử tại Đại học Macquarie, giải thích: "Kim cương nguyên chất không màu, nhưng khi một số nguyên tử carbon bị thay thế bởi các nguyên tử khác, chúng có thể hình thành các tâm 'khuyết tật' có tính chất quang học". Các tâm NV này hoạt động như những nam châm siêu nhỏ, có khả năng phát hiện từ trường. Để tăng độ nhạy, từ trường xung quanh các nam châm này cần được tăng cường, và đó là vai trò của buồng cộng hưởng sapphire.
Vai trò của buồng cộng hưởng: Từ sapphire đến nho
Buồng cộng hưởng sapphire tập trung năng lượng vi sóng, làm cho electron của nhôm oxyt (Al2O3) bên trong dao động ở một tần số nhất định, tạo ra "điểm nóng từ trường cục bộ" mà các tâm NV trong kim cương có thể dễ dàng phát hiện. Về cơ bản, buồng cộng hưởng sapphire hoạt động như một chiếc kính lúp, khuếch đại trường điện từ để cảm biến kim cương nano có thể "nhìn thấy".
Thí nghiệm với nho: Kết quả bất ngờ
Các nhà khoa học tại Đại học Macquarie đã tận dụng hiệu ứng này để khuếch đại từ trường xung quanh cảm biến kim cương nano. Bằng cách đặt hai quả nho cạnh nhau, xuyên một ống sợi thủy tinh vào giữa và đặt một viên kim cương nano ở đầu ống, họ đã tạo ra một cảm biến lượng tử đơn giản. Khi chiếu ánh sáng laser xanh lá cây qua sợi thủy tinh, cảm biến làm cho các tâm NV trong kim cương phát ra ánh sáng đỏ. Độ sáng của ánh sáng đỏ này cho biết cường độ của trường vi sóng xung quanh hai quả nho.
Ali Fawaz, nghiên cứu sinh tiến sĩ vật lý lượng tử tại Đại học Macquarie, cho biết: "Sử dụng kỹ thuật này, chúng tôi thấy từ trường của bức xạ vi sóng mạnh gấp đôi khi có nho". Ông cũng cho biết thêm nước có khả năng tập trung năng lượng vi sóng tốt hơn sapphire, nhưng kém ổn định hơn và tiêu thụ nhiều năng lượng hơn. Đây là thách thức cần được giải quyết trong các nghiên cứu tiếp theo.
Tiềm năng ứng dụng và hướng nghiên cứu tương lai
Nghiên cứu này mở ra khả năng chế tạo các buồng cộng hưởng chứa nước để thay thế buồng sapphire đắt đỏ. Các buồng cộng hưởng vi sóng này có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như vệ tinh, maser và hệ thống lượng tử. Trong các ứng dụng lượng tử, chúng được sử dụng để điều khiển các hệ thống như qubit spin thông qua từ trường.
Giáo sư Thomas Volz, người đứng đầu nhóm Vật liệu và Ứng dụng Lượng tử tại Đại học Macquarie, cho biết: "Nghiên cứu này mở ra một hướng đi mới để khám phá các thiết kế bộ cộng hưởng vi sóng thay thế cho công nghệ lượng tử, có khả năng dẫn đến các thiết bị cảm biến lượng tử nhỏ gọn và hiệu quả hơn".
Trong khi chờ đợi các buồng cộng hưởng chứa nước được phát triển, nho vẫn sẽ là một lựa chọn tiềm năng cho các nhà khoa học. Các thử nghiệm cho thấy những quả nho có đường kính khoảng 2,7 cm cho hiệu ứng cộng hưởng mạnh nhất. Phát hiện này không chỉ mang tính đột phá về mặt khoa học mà còn mở ra những cơ hội mới cho việc ứng dụng công nghệ lượng tử trong thực tiễn.
