Anten nano có thể giúp giữ bí mật lượng tử


Dây anten truyền hình thu nhỏ chế tạo từ các que nano vàng có thể cung cấp một phương thức điều khiển ánh sáng trên một con chip – mở ra các kênh truyền thông lượng tử.

Nếu như các mạng điện toán lượng tử trở thành thực tại, thì các nhà vật lí phải tìm ra một phương thức điều khiển và khai thác ánh sáng phát ra trong các thí nghiệm lượng tử. “Chúng ta phải biết ở đâu và khi nào thì các photon được phát ra nếu chúng ta muốn thu gom chúng một cách hiệu quả và thực hiện những tác vụ tiên tiến”, phát biểu của Jason Smith, một chuyên gia cấu trúc nano lượng tử tại trường đại học Oxford, Anh.

alt

Anten Yagi-Uda ngày nay nhỏ hơn bao giờ hết.
Ảnh: Hitachi Kokusai Electric (Yagi Antenna Inc)

Hiện tại, các nhà vật lí lượng tử sử dụng những thiết bị kềnh càng để cố gắng giữ lấy vết tích của các photon, chẳng hạn, xây dựng những hộp chân không lớn với các thành tráng gương để dẫn hướng ánh sáng. “Thật tức cười là để điều khiển thế giới lượng tử nhỏ bé, bạn lại cần những thiết bị khổng lồ”, theo lời Holger Hofmann, tại Khoa Vật chất Lượng tử thuộc trường đại học Hiroshima ở Nhật Bản.
Nay Hofmann và các cộng sự của ông vừa phát triển một phương thức điều khiển hướng ánh sáng ở cấp độ nano. Kĩ thuật của họ dựa trên sự hoạt động của các anten 'Yagi-Uda' thường dùng để truyền và dò tìm sóng vô tuyến và thường thấy trên nóc nhà dưới dạng dây anten truyền hình. Hofmann bắt gặp ý tưởng đó một cách tình cờ, trong khi đang giảng dạy lớp điện từ học về nguyên lí hoạt động của anten. “Sách giáo khoa không giải thích tốt cho lắm, và trong khi thử đưa ra bức tranh giải thích riêng của mình, tôi nhận ra rằng kĩ thuật tương tự có thể hoạt động ở cấp độ nano”.

Vàng là tốt nhất

Một anten Yagi-Uda chuẩn cấu tạo gồm một tập hợp những que kim loại lắp song song giảm dần về chiều dài. Một tín hiệu điện được cho vào que dài thứ hai, làm cho nó dao động và tạo ra một sóng điện từ điều khiển lan ra theo mọi hướng. Sóng này kích thích các que lân cận dao động và phát ra sóng thứ cấp. Cả chiều dài và khoảng cách giữa các que liên tiếp được bố trí thận trọng theo phần lẻ của bước sóng của sóng điều khiển, khuếch đại nó theo hướng lan tới và giảm nó đi theo hướng bên và hướng ngược lại.

Hofmann và các cộng sự của ông nhận ra rằng các que nano vàng sẽ tạo ra hiệu ứng tương tự ở cấp độ nano – nhưng ở đây, tỉ số chiều dài trên chiều rộng của các que, chứ không phải chiều dài và khoảng cách của chúng, là quan trọng.

Đội nghiên cứu đã khắc anten vàng mini của họ vào một chất nền thủy tinh và chiếu thẳng vào nó vói ánh sáng laser đỏ. Công đoạn khéo léo là đảm bảo chỉ một que nano bị chiếu bởi ánh sáng tới, giống hệt như chỉ một que kim loại trong anten Yugi-Uda. Để đảm bảo yêu cầu này, đội nghiên cứu nghiêng que nano đã chọn đi 45o so với các lân cận của nó và kích thích nó bằng ánh sáng laser bị phân cực ở góc bằng như vậy. Sau đó, họ theo dõi hướng ánh sáng truyền ra khỏi chất nền thủy tinh.

Kết quả thật sự tốt hơn nhiều so với lí thuyết của họ tiên đoán, Hofmann nói, với khoảng hai phần ba ánh sáng vào được lái mạnh về phía trước. Trong các tính toán của họ, đội nghiên cứu giả sử rằng các que nano sẽ được tạo hình thành những elipsoid hoàn hảo; tuy nhiên, trên thực tế, chúng có dạng “hình hộp” và hình dạng này có lẽ đã vô tình làm tăng hiệu suất của chúng, Hofmann giải thích.

Nghiên cứu mới đã sẵn sàng

Tiếp theo, đội nghiên cứu hi vọng tích hợp được anten nano đó vào trong một con chip silicon – một động thái được Smith nhiệt liệt hoan nghênh. “Đó là một thách thức lớn để chế tạo các hệ điều khiển ánh sáng thu gọn và hiệu quả”, ông nói.

Kĩ thuật trên cũng cho phép các nhà khoa học vật liệu chế tạo ra “nguồn phát photon độc thân” hiệu quả bằng cách điều khiển chính xác ánh sáng phát ra từ các tinh thể nano gọi là “chấm lượng tử”, Smith nói. “Bạn có thể tưởng tượng một ngày nào đó người ta có thể nhấn một cái nút và phát ra một photon theo yêu cầu”.

Các nguồn phát photon độc thân là yếu tố sống còn trong lĩnh vực mật mã học lượng tử, trong đó các quá trình lượng tử được sử dụng để mã hóa thông tin an toàn thành những photon trước khi dữ liệu được truyền đi. “Để có tính xác thực, bạn thật sự phải biết có bao nhiêu photon bạn đang gửi đi và gửi đi đâu”, Hofmann nói.

Việc chế tạo hệ điều khiển ánh sáng nhỏ hơn còn làm tăng tốc độ phát xạ photon tự phát từ nguồn, do các hiệu ứng lượng tử sinh ra, Smith bổ sung thêm. “Hiện tại, bạn có thể tạo ra một photon một lần trong mỗi 10 hoặc 100 nano giây, nhưng những kĩ thuật như thế có thể cải thiện đến mức, nói thí dụ, một photon trong mỗi nano giây”, ông nói. “Đó là một tiến bộ quan trọng”.

·    Tham khảo

1.    Hofmann, H. F. , Kosako, T. & Kadoya, Y. New J. Phys. 9, 217 (2007).
2.    Kosako, T. , Kadoya, Y. & Hofmann, H. F. Nature Photonics advance online publication doi:10.1038/nphoton.2010.34 (2010).

Theo Nature.com

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Tạo bảng điểm online

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Giải đáp nhanh những câu hỏi lớn – Stephen Hawking (Phần 11)
09/11/2018
Đầu năm 1982, tôi có viết một bài báo đề xuất rằng những khác biệt này phát sinh từ những thăng giáng lượng tử trong
Giải đáp nhanh những câu hỏi lớn – Stephen Hawking (Phần 10)
09/11/2018
Thế nhưng nhiều nhà khoa học không hài lòng với việc vũ trụ có một khởi đầu, bởi dường như nó ẩn ý rằng vật lí học
Giải đáp nhanh những câu hỏi lớn – Stephen Hawking (Phần 9)
09/11/2018
Chương 2 Vũ trụ đã ra đời như thế nào? Hamlet từng nói, “Tôi có thể bị mắc kẹt trong một vỏ hạt, và tôi tự xem mình
Trí tuệ nhân tạo: 101 điều bạn nên biết từ hôm nay về tương lai của chúng ta (Phần 2)
07/11/2018
CHƯƠNG I GIỚI THIỆU TRÍ TUỆ NHÂN TẠO Hình 1.1. Các chủ đề trong Chương 1 Trong chương này, bạn sẽ tìm thấy một tổng
Trí tuệ nhân tạo: 101 điều bạn nên biết từ hôm nay về tương lai của chúng ta (Phần 1)
07/11/2018
GIỚI THIỆU  Bạn có biết trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence-AI) đang làm thay đổi thế giới của chúng ta nhanh hơn
Giải đáp nhanh những câu hỏi lớn – Stephen Hawking (Phần 8)
04/11/2018
Kinh nghiệm hằng ngày của chúng ta khiến chúng ta nghĩ rằng mọi chuyện xảy ra phải có nguyên nhân do cái gì đó xảy ra trước
Giải đáp nhanh những câu hỏi lớn – Stephen Hawking (Phần 7)
04/11/2018
Một lĩnh vực còn lại mà tôn giáo ngày nay có thể quả quyết đó là nguồn gốc của vũ trụ, nhưng thậm chí ở đây khoa học
Vì sao lực hấp dẫn khác với những lực kia? (Phần 3)
04/11/2018
Máy va chạm lỗ đen Tóm lại, lực hấp dẫn quá khác biệt với các anh em lực còn lại của nó nên người ta ngờ rằng nó

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com