Xây dựng bộ khuếch đại lượng tử với nguyên tử nhân tạo

Với việc chứng minh có thể sử dụng một nguyên tử độc thân nhân tạo như thế nào để khuếch đại sóng điện từ, các nhà vật lí ở Nhật Bản đang mở ra những khả năng mới cho các bộ khuếch đại lượng tử, cái có thể dùng trong nhiều ứng dụng điện tử và quang học đa dạng.

alt

Sự khuếch đại lượng tử bởi một nguyên tử nhân tạo. Phần (a) thể hiện một giản đồ của một nguyên tử nhân tạo ba mức trong đó sự đảo lộn cư trú có thể được tạo ra bằng cách bơm nguyên tử từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích thứ hai. Phần (b) thể hiện quang phổ của nguyên tử ba mức trên.

Là một dụng cụ sử dụng các hiệu ứng lượng tử để khuếch đại tín hiệu, một bộ khuếch đại lượng tử có nhiều dạng khác nhau. Có lẽ thí dụ được biết tới nhiều nhất là laser, dụng cụ sử dụng quá trình phát xạ cảm ứng để phát ra các photon từ các nguyên tử bị kích thích quang học. Giống như đa số các bộ khuếch đại lượng tử, laser sử dụng các chuyển tiếp nội nguyên tử với nhiều nguyên tử (hoặc phân tử) để đạt được sự khuếch đại tín hiệu, và các tần số chuyển tiếp không dễ gì điều chỉnh được.

Một cách hiện thực hóa bộ khuếch đại lượng tử có thể tùy chỉnh và điều khiển trọn vẹn là tạo ra một hệ chỉ sử dụng các nguyên tử hay phân tử độc thân. Tuy nhiên, các bộ khuếch đại lượng tử nguyên tử độc thân cho đến nay rất khó thực hiện do thực tế các nguyên tử trong tự nhiên chỉ có thể ghép cặp yếu ớt với sóng điện từ mà chúng phải khuếch đại.

Các nhà nghiên cứu O.V. Astafiev cùng các đồng tác giả ở Phòng Nghiên cứu Vi Điện tử NEC và Viện Khoa học Cấp tiến RIKEN, cả hai ở Ibaraki, Nhật Bản, vừa tìm ra một phương pháp khắc phục được khó khăn này. Trong nghiên cứu mới của họ, các nhà nghiên cứu đã chứng minh làm thế nào một nguyên tử nhân tạo độc thân có thể ghép cặp mạnh với mốt điện từ của không gian một chiều hở, mang lại sự khuếch đại sóng điện từ có thể tùy chỉnh và điều khiển.

Sự khuếch đại lượng tử dựa trên khả năng bơm nguyên tử nhân tạo ba trạng thái từ trạng thái cơ bản của nó lên mức cao trong hai trạng thái kích thích của nó. Để làm như vậy, các nhà nghiên cứu thiết đặt các trường vi sóng ở một tần số bơm đặc biệt truyền dọc theo đường truyền một chiều hướng về phía chất điểm nguyên tử. Các photon gây cảm ứng sự phát xạ tự phát từ nguyên tử đó, làm cho nó phát ra một sóng tán xạ ở một tần số đặc biệt, khuếch đại tín hiệu tổng thể.

“Quá trình then chốt là tạo ra sự đảo lộn cư trú (tương tự như trong laser)”, đồng tác giả Abdufarrukh Abdumalikov ở RIKEN nói. “Nguyên tử của chúng tôi có ba mức năng lượng rời rạc. Chúng tôi thiết đặt một vi sóng kích thích nó từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích thứ hai. Từ trạng thái đó, nguyên tử phóng thích một phần xuống trạng thái cơ bản và một phần xuống trạng thái kích thích thứ nhất. Khi mật độ cư trú của trạng thái kích thích thứ nhất lớn hơn mật độ cư trú của trạng thái cơ bản, thì chúng tôi có sự đảo lộn cư trú. Khi đó chúng tôi thiết lập một tín hiệu vi sóng mà chúng tôi muốn khuếch đại. Nó sẽ cộng hưởng với sự chuyển tiếp trạng thái cơ bản – trạng thái kích thích thứ nhất. Nguyên tắc tương tự như trong các laser”.

Các nhà nghiên cứu đã tính ra độ khuếch đại cực đại khoảng chừng 1,09, tương ứng với trung bình 109 photon phát ra với mỗi 100 photon tới. Abdumalikov giải thích rằng độ khuếch đại cực đại trên lí thuyết là 1,125 hay 112,5 photon phát ra với mỗi 100 photon tới.

Nói chung, sự khuếch đại bởi một nguyên tử nhân tạo độc thân mang lại một thí dụ của một bộ khuếch đại lượng tử sơ cấp, cái có thể dùng là viên gạch cấu trúc cho các bộ khuếch đại lượng tử tùy chỉnh, cỡ lớn dùng cho các ứng dụng đa dạng. Ngoài ra, việc chứng minh sự khuếch đại lượng tử nguyên tử độc thân có thể mở ra các khả năng phát triển những loại bộ khuếch đại lượng tử mới trên-chip và những dụng cụ lượng tử khác, chúng có thể biểu lộ những hiện tượng quang lượng tử mới lạ do sự phối hợp, khả năng tùy chỉnh và khả năng điều khiển của các dụng cụ.

“Đây là công trình đầu tiên thuộc loại này”, Abdumalikov nói. “Nếu chúng ta sử dụng nhiều nguyên tử thì chúng ta có thể thu được độ khuếch đại lớn hơn. Những bộ khuếch đại như vậy có thể dùng trong những lĩnh vực nghiên cứu khác nơi cần đến những bộ khuếch đại mức nhiễu thấp”.

Theo PhysOrg.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
Downlaod video thí nghiệm

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Khi dòng điện tác dụng lên nam châm
08/06/2022
Khả năng khai thác lượng điện năng có vẻ vô tận là một trong những nền tảng của thế giới hiện đại. Công nghệ ấy
Nhận thức lịch sử về nam châm
28/05/2022
Vào năm 1600, một bác sĩ người Anh cho biết ngoài trọng lực, Trái Đất còn tác dụng những lực khác khi ông chỉ ra rằng hành
Photon là gì?
25/07/2021
Là hạt sơ cấp của ánh sáng, photon vừa bình dị vừa mang đầy những bất ngờ. Cái các nhà vật lí gọi là photon, thì những
Lược sử âm thanh
28/02/2021
Sóng âm: 13,7 tỉ năm trước Âm thanh có nguồn gốc từ rất xa xưa, chẳng bao lâu sau Vụ Nổ Lớn tĩnh lặng đến chán ngắt.
Đồng hồ nước Ktesibios
03/01/2021
Khoảng năm 250 tCN. “Đồng hồ nước Ktesibios quan trọng vì nó đã làm thay đổi mãi mãi sự hiểu biết của chúng ta về một
Tic-tac-toe
05/12/2020
Khoảng 1300 tCN   Các nhà khảo cổ có thể truy nguyên nguồn gốc của “trò chơi ba điểm một hàng” đến khoảng năm 1300
Sao neutron to bao nhiêu?
18/09/2020
Các nhà thiên văn vật lí đang kết hợp nhiều phương pháp để làm hé lộ các bí mật của một số vật thể lạ lùng nhất
Giải chi tiết mã đề 219 môn Vật Lý đề thi TN THPT 2020 (đợt 2)
04/09/2020

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